Interface de simulation située urbaine : conception et développement d une solution sur tablette tactile

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1 Interface de simulation située urbaine : conception et développement d une solution sur tablette tactile Mémoire Benoit Duinat Maîtrise en sciences géomatiques Maître ès Sciences (M. Sc) Québec, Canada Benoit Duinat, 2013

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3 Résumé Dans un contexte de développement durable où les impacts sur les infrastructures doivent être fréquemment évalués, des procédures efficaces de contrôle et d intervention sont requises. Bien que les solutions de réalité augmentée mobiles (RAM) présentent un fort potentiel pour améliorer l'efficacité d'intervention sur site par les professionnels, notamment dans le cas d infrastructures souterraines, cette technologie n est pas encore suffisamment mature pour permettre de telles applications. Reposant sur des principes similaires à la RAM, la simulation située propose une représentation virtuelle 3D congruente avec la réalité. L immersion y est moins importante mais les interactions avec l environnement 3D plus nombreuses. Le présent travail de recherche porte sur la conception et le développement d une application de simulation située. Il aborde notamment les défis relatifs à la modélisation 3D d environnement et à l intégration de données géospatiales dans des moteurs de jeux vidéo. iii

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5 Abstract In a context of sustainable development in which impacts on infrastructure should be assessed frequently, effective procedures for monitoring and intervention are required. Although mobile augmented reality (MAR) solutions have a great potential to improve the on-site efficiency for professionals, particularly in the case of underground infrastructures, this technology is not yet mature enough to allow such applications. Based on principles similar to MAR, situated simulation offers a virtual 3D representation congruent with reality. In situated simulation, the immersion is less important, but there are more interactions possible with 3D environment. This work focuses on the design and development of a situated simulation application. It tackles the particular challenges related to 3D modeling of the environment and integration of geospatial data in video game engines. v

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7 Avant-propos En janvier 2009, au cœur de l'hiver Finlandais (où j'étais en échange ERASMUS), et en recherche active de stage de fin d'étude, j'ai répondu à une offre de stage périmée de 3 ans et c'est ainsi que mon aventure québécoise a commencée: «J ai trouvé une offre de stage que vous proposiez en 2006 à propos de développement 3D photo-réaliste, et je voudrais savoir si cette année vous proposez de nouveau des stages ayant attrait à l imagerie 3D ou au traitement d image en général.» B. Duinat, 19 janvier La réponse positive ne fût pas très longue à venir et quelques formalités et une valise préparée plus tard, me voilà au département de géomatique de l'université Laval. Ce stage m'a immergé dans le domaine de la réalité augmentée, notamment à travers le développement de l'application «Paint Finger» qui a été un projet génial à développer. À la suite de ce stage, ma directrice de stage Sylvie Daniel m'a proposé de faire une maîtrise au département de géomatique en réalité augmentée. L'offre était alléchante, mais mon âme de voyageur se sentait attirée vers des contrées plus antipodiques et je me suis alors envolé pour une année de périple au pays des kiwis, des kumaras, des feijoas, des moutons au milieu de la "route", des tuis, des étendues de nature infinies et des aventures plus incroyables les unes que les autres. Bien que peu connecté à la réalité pendant cette année inoubliable, j'ai toujours gardé dans l'idée un retour au Québec. Je voudrais alors en tout premier lieu remercier ma directrice Sylvie pour m'avoir offert l'opportunité de revenir au Québec après cette année de césure (cela a aussi laissé le temps à l'ipad d'arriver sur le marché sans quoi ce projet serait surement très différent! Comme quoi...). Je voudrais aussi remercier Sylvie pour m'avoir impliqué dans un projet aussi intéressant, et pour tout le temps et l'énergie qu'elle a consacrée pour le bon déroulement de celui-ci. Ensuite, je voudrais remercier toute ma famille et mes amis pour m'avoir aidé à nager dans les creux de vagues et pour avoir surfé joyeusement avec moi le reste du temps. Mon père, ma mère (merci maman pour les fautes d'orthographe), mes deux petites sœurs adorées, et ma mamie qui est toujours fière de moi :). Mes amis de France qui sont venus me voir au Québec pour certains et qui sont les bienvenus pour les autres (Adeline, Antho, Benich, Carine, Charlène, Davy, Djodj, Élodie, Marco, Max, Richard, Tom). Mes amis kiwis qui ont partagé une des meilleures années de ma vie (Béa, Benji, Caro, Chus, Clém, Emilie, Gui Gui, Marion, Mamax et Papax, Romano, Sacha, Tibo). Mes amis du Québec: les colocs (Camille, JP, vii

8 Ludivine, Vince), les jongleurs (Alex (partenaire de volley-quille), David, Geoffrey, Ian (kendama rival), Josy, Ph, et compagnie), les sportifs (Annie, Arnaud, Marc, Oli), ceux qui ont fui le froid pour l'australie (Gael, Geneviève), les pantoutes du grenier (Alex, Antoine, Emmanuelle), les montréalais (Davidou, Luc, Nath, Sarah, Vivien, Yan, Yaya) et les autres (Aline (mon inséparable partenaire de babyfoot), Amélie, Claire, Jeremy, Jo, Nico) et ceux que j'oublie et qui, si ils le réclament, auront droit à des éclairs au chocolat. Je veux aussi remercier toutes les personnes qui contribuent (ou ont contribué) à la bonne ambiance du département. Abbas, Alborz, Chen, Dan, Danielle, Eve, Hedia, Honoré, Louis-Etienne, Marc, Mojgan, Naouraz, Omid, POM, Stéphanie, Thomas, Tan, Tania, Valérie, Vincent, Yacouba. Je tiens à remercier Jean Ambroise (même si il m'a privé du 1er prix des OCTAS), pour sa vision de la réalité augmentée et des technologies de l'information souvent originale et avec qui j'ai toujours de bonnes discussions. Enfin je remercie GEOIDE et le CRSNG pour le soutien financier tout au long de ma maîtrise ainsi que Frédéric Hubert et Nadir Belkhiter pour avoir accepté d'être les examinateurs de mon travail de maîtrise viii

9 Table des matières Résumé... iii Abstract... v Avant-propos... vii Table des matières... ix Table des figures... xiii Table des tableaux... xix Chapitre Introduction Mise en contexte Énoncé des besoins Problématique Objectifs Sous-objectif Sous-objectif Sous-objectif Méthodologie Démarche méthodologique Principales étapes de la méthode de recherche Considérations applicatives Structure du mémoire Chapitre Revue des concepts et de la littérature L'excavation dans la pratique Planification Localisation et marquage au sol Excavation ix

10 2.2 Notions et concepts relatifs aux objectifs de recherche Données géospatiales Positionnement GPS Autres méthodes de positionnement La réalité augmentée La réalité augmentée avec marqueurs La réalité augmentée sans marqueurs La réalité augmentée par géolocalisation Revue de l'existant Le projet VIDENTE L'utilisation de panoramas La simulation située Synthèse du chapitre Chapitre Conception et développement de l'application Caractéristiques fonctionnelles attendues Évaluation de la tablette tactile Positionnement Orientation Conclusions de l'évaluation Architecture Logicielle Développement de la solution Technologies utilisées Création de l'environnement virtuel Synthèse du chapitre Chapitre Résultats et discussion x

11 4.1 Fonctionnement général du prototype Validation de la conformité du prototype vis-à-vis des caractéristiques attendues Validation de la robustesse du prototype et de la navigation dans le monde virtuel Tests utilisateurs Discussion Complétude des données La mise à jour des données La standardisation des données La perception utilisateur Chapitre Conclusions et perspectives Retour sur les objectifs du projet et la recherche effectuée Contributions de la recherche Perspectives Bibliographie... 3 Annexes... 8 xi

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13 Table des figures Figure 1: Incident lors d'excavation: a) une canalisation de gaz brisée a provoqué un gros incendie; b) un engin de chantier a percé une conduite d'eau, ce qui a eu pour conséquence l'interruption des services du quartier... 2 Figure 2: Publicité pour Info-Excavation... 2 Figure 3: Lors d'une intervention : a) une équipe de spécialistes vient localiser les canalisations : b) un marquage au sol permet de mettre en évidence les informations recueillies; c) un code de couleur permet de spécifier ces informations... 4 Figure 4: Situation d'identification difficile avec un simple plan 2D car plusieurs conduits sont superposés les uns aux autres... 4 Figure 5: Marquage au sol recouvert par la neige... 5 Figure 6: Lorsqu'il y a beaucoup d'informations, l'interprétation du marquage au sol devient difficile; le marquage a aussi tendance à s effacer au fil du temps comme l illustre la peinture au premier plan de la photo... 5 Figure 7: Utilisation du plan papier sur le terrain... 6 Figure 8: Exemple d'un SIG mobile... 7 Figure 9: Les différentes sources d'informations et les modèles mentaux qu'elles induisent. L'utilisateur doit les mettre en correspondance pour obtenir une représentation mentale de l'information [HUGUES 2011] Figure 10: Schéma méthodologique Figure 11: Ventes mondiales en 2011 de tablettes en milliers d'unités classées par type de système d exploitation; les valeurs associées aux années 2012 et 2015 sont des estimations (d'après Gartner) Figure 12: La localisation par radar géologique (partie supérieure de la figure) permet d'obtenir le positionnement horizontal et vertical des canalisations par l'interprétation des images radars obtenues (partie inférieure de la figure) Figure 13: Méthode de détection électromagnétique en mode actif: Un générateur de signaux est connecté à un réseau électrique que l'on souhaite localiser. Le radiodétecteur manipulé par l'utilisateur lui indique le positionnement du câblage électrique souterrain associé (matériel de l'image: générateur Genny4 et radiodétecteur CAT4 de SDM Toulouse matériel) Figure 14: Exemple de marquage au sol du réseau des eaux usées : les indications présentes sont la localisation, la direction et le code couleur pour identifier le type de canalisation xiii

14 Figure 15: La pelle mécanique entame l'excavation à une distance minimale de 1 mètre des marquages au sol Figure 16: Représentation de la latitude et de la longitude [ESRI 12] Figure 17: Représentation de l'altitude orthométrique et de l'altitude ellipsoïdale Figure 18: Différents types de projection cartographique : (De gauche à droite) conique, cylindrique et azimutale [ESRI 2012] Figure 19: Cet exemple permet d'illustrer les déformations engendrées par trois projections différentes pour une même zone géographique Figure 20: Localisation par triangulation des signaux GPS Figure 21: Graphique représentant la précision de différentes technologies de positionnement.. 26 Figure 22: Le continuum réel/virtuel proposé par Milgram [MILGRAM 94] Figure 23: Principe de mise en œuvre de la réalité augmentée à l aide de marqueur : a) On observe un marqueur à travers la caméra d'un téléphone; b) les images du flux vidéo de la caméra sont alors analysées en temps réel; c) le marqueur est isolé dans le contenu de l image; d) Cela permet d'obtenir l'orientation du marqueur et de lui associer un repère spatial; e) Il est ensuite possible de positionner un modèle 3D (ici la théière) en fonction de ce repère; f) le modèle est affiché sur l'écran du téléphone de l'utilisateur. Images de D. Wagner (T U Graz) Figure 24: Les caractéristiques (bordures, formes, textures) de l'image, obtenues par le traitements des images du flux vidéo a), sont comparées à celles du motif (enregistré dans la base de données) à reconnaitre. Le fonctionnement est ensuite le même qu'avec des marqueurs classiques (Figure 23) et l'image est alors augmentée par un modèle 3D de lézard dans le cas de l'image b) Figure 25: La position des doigts de la main est détectée (a, b) et permet de positionner en temps réel, un repère local associé à la position et l'orientation de la main (c, d, e, f). Il est alors possible d'afficher un ou plusieurs modèles 3D rattachés à ce repère spatial (g) Figure 26: Application Wikitude sur tablette tactile exploitant les POI Figure 27: Visualisation des canalisations en réalité augmentée (Projet Vidente) Figure 28: Image tirée d'une des vidéos de démonstration du projet VIDENTE et qui met en avant les difficultés de perception (absence de gestion des occlusions, ou de la profondeur) liées à la superposition des éléments 3D directement sur le flux de la caméra Figure 29: Affichage des canalisations sous la forme d'une excavation virtuelle vis-à-vis d'un panorama StreetView Figure 30: Le projet Osberg de Liestol: une scène virtuelle 3D représentative de la réalité locale est affichée sur l'écran du téléphone, la position et le point de vue dans le monde virtuel sont mis à jour en temps réel selon les mouvements de l'utilisateur xiv

15 Figure 31: Visite du musée national d'oslo en simulation située (G.Liestol 2012): un modèle haute définition du musée est proposé à l'utilisateur sur son appareil mobile, il peut alors naviguer autour du batiment et intéragir avec ce dernier en temps réel afin d'obtenir les informations qu'il souhaite Figure 32: Représentation à l aide de google earth des bornes géodésiques du campus de l'université laval Figure 33: Représentation dans Google Earth des 5 bornes géodésiques et 6 repères complémentaires sélectionnés pour les tests de positionnement Figure 34: Application «GPS Device Data» sur ipad Figure 35: Synthèse graphique du Tableau Figure 36: l'ipad2 est fixé sur la tablette pivotante noire. Celle-ci permet d'effectuer des rotations de 360 autour de l'axe z de l'ipad (perpendiculaire à la surface de son écran) Figure 37:Étalonnage du banc de test avec une boussole Figure 38: Les images a) et b) montrent le dispositif de rotation utilisé pour les tests d'orientation. Les images c) (capture d'écran de l'application) et d) (photos) montrent respectivement des mesures de 4 et 91 effectuées aux angles références 0 et Figure 39: L'application «Data Collection Free» permet d'obtenir les données brutes du gyroscope a), on obtient alors un fichier texte contenant les données relatives au gyroscope pour une durée de 10 secondes à une fréquence de 10Hz b) Figure 40: Graphique montrant la dérive en degrés du gyroscope pour une période de 10 secondes Figure 41: Exemple des mesures de rotation obtenues via le gyroscope lors d'une rotation de 360 degres de l'ipad autour de l'axe y Figure 42: Structure logicielle générale de la solution mettant en évidence le lien entre l'environnement réel et le monde virtuel Figure 43: Schéma descriptif de l'organisation des composants de la solution ainsi que des plug-in développés Figure 44: Modèle 3D du campus de l'université Laval extrait de la maquette 3D de la ville de Québec Figure 45: MNT du campus de l'université Laval visualisé dans AutoCAD Figure 46: Visualisation du MNT dans Unity 3D faisant apparaitre le maillage triangulaire du terrain (TIN) Figure 47: Exemple de batiment haute définition obtenu à partir de données LiDAR terrestre mobile: Pavillon Abitibi-Price xv

16 Figure 48: Création d'une scène 3D dans Unity 3D à partir de bâtiments composés d'une seule entité Figure 49: Les images a) et b) représentent des parties du campus avec les bâtiments simplifiés et texturé pour un rendu réaliste permettant une navigation fluide dans l'environnement virtuel Figure 50: Vue d'ensemble du campus avec l'ajout de mobilier urbain et de végétation Figure 51: Représentation plan du réseau d'aqueducs en sous-sol du campus de l'université Laval : Aucune information de profondeur n y figure mais le diamètre des canalisations est indiqué en marge Figure 52: Plan indiquant l'emplacement des lampadaires du campus et leurs numéros d'identification associés Figure 53: Plan indiquant l'emplacement des lampadaires du campus et les lignes électriques les reliant entres eux. les numéros d'identification associés ne sont pas présents sur ce plan Figure 54: Étapes de modélisation des canalisations en 3D et d'intégration des données dans l'environnement Figure 55: Menu d'interface tactile du prototype. Les fonctionnalités associées aux icones permettent: a) d Activer le mode navigation automatique (GPS actif), b) d Activer le mode navigation manuel (GPS inactif), c) d Activer la visualisation du sous-sol, d) d Activer la vision au travers des batiments, e) d Obtenir des informations sur un élément de l'environnement, f) d Afficher des informations de localisation (latitude, longitude, orientation) Figure 56: La fonction de vision à travers les bâtiments (a), permet d'observer le raccord des canalisations à un bâtiment. La fonction d'accès à l'information permet d'obtenir des informations sur un élément d'intérêt comme un lampadaire par exemple (b) Figure 57: L'utilisateur démarre l'application, et automatiquement le monde virtuel est affiché à l'écran selon un point de vue correspondant à sa position et son orientation dans la réalité Figure 58: L'utilisateur effectue une rotation sur lui-même de 180 degrés, il visualise donc le bâtiment qui se trouvait derrière lui Figure 59: L'observateur tourne à 90, c'est à dire il observe ce qui se trouve à sa droite par rapport à la figure précédente Figure 60: L'observateur se déplace le long du trottoir (dans la direction indiquée par le cône bleu) Figure 61: L'observateur tourne sur sa gauche pour se rapprocher de la borne fontaine Figure 62: L'utilisateur se déplace en direction de la borne fontaine en suivant le trottoir Figure 63: L'utilisateur arrive devant la borne fontaine. Il peut sélectionner le mode manuel (icone en forme d'œil) pour ajuster son point de vue comme il le souhaite xvi

17 Figure 64: En touchant le 3ème icone du menu, le sol devient transparent afin de visualiser la canalisation connectée à la borne Figure 65: En activant de nouveau le mode automatique, il peut se déplacer autour de la borne fontaine pour obtenir un point de vue différent Figure 66: Utilisation du prototype sur le site d'étude. Le point de vue dans le monde virtuel correspond à la position et à l'orientation de l'utilisateur dans la réalité Figure 67: Exemples de photo prise avec l'ipad2 (a, c, e et g) montrant le point de vue de l utilisateur dans l environnement réel et la capture d'écran équivalente montrant le point de vue de l'avatar dans le monde virtuel (b, d, f et h) Figure 68: a) L'application «Laval Virtuel» développée en collaboration avec la faculté des sciences de l'éducation,: b) l'application inclut un Guide d'utilisation qui présente à l'utilisateur l'interface, c) Parcours suggéré aux étudiants pour qu'ils visitent tous les bâtiments importants, d) Exemple d'informations obtenues en se rendant au pavillon Louis-Jacques Casault et en cliquant sur ce dernier à partir de l'écran de l'ipad Figure 69: Représentation 3D de la ville de New York dans Google Earth suivant 2 angles de vue différents Figure 70: Vue 3D d'un quartier de la ville de Las Vegas: Les réseaux souterrains sont représentés selon le code de couleur en usage, l'environnement urbain est représenté par un nuage de points obtenu à l aide d un LiDAR terrestre Figure 71: La gestion des occlusions en réalité augmentée: une cible virtuelle est ajoutée dans la scène (a), lorsqu'on change de point de vue, sans la gestion des occlusions, la cible semble être devant la boite rouge (b) ce qui fausse la perception de sa position. Sur l'image (c) la cible est restée à la même position mais la perception est maintenant différente à cause de l'occlusion [TIAN 2010] Figure 72: Une excavation virtuelle autour des canalisations ciblées dans le projet de panorama augmenté de Bentley Systems inc. a) et dans le projet VIDENTE b) Figure 73: Représentation de canalisation sans repères (a), puis représentation avec une excavation virtuelle comportant des indices de profondeurs (b) xvii

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19 Table des tableaux Tableau 1: Tableau de syntèse des solutions présentées Tableau 2: Spécifications techniques de l'ipad Tableau 3: Résultat des mesures effectuées sur la borne Tableau 4: Tableau de synthèse des erreurs au sol mesurées en fonction des obstacles urbains et des conditions nuageuses Tableau 5: Tableau des données fournies par le compas numérique de l'ipad2 en fonction du nord géographique. Les valeurs étant comprises entre 0 et 360, la mesure de 356 correspond à un écart de 4 par rapport à l'angle de référence (0 ) xix

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21 Chapitre 1 Introduction Dans ce premier chapitre, la mise en contexte du sujet va permettre au lecteur de comprendre les motivations de ce travail. L énoncé des besoins confronté aux méthodes de travail actuelles, vont mener à la formulation de la problématique, à la définition des objectifs de ce travail de recherche ainsi qu aux choix méthodologiques qui ont été opérés afin de les rencontrer. La structure générale du mémoire sera proposée à la fin de ce premier chapitre. 1.1 Mise en contexte Les besoins en termes d urbanisme et de génie civil au Québec et au Canada en général sont grandissants et de plus en plus exigeants. En effet, les infrastructures vieillissantes nécessitent à la fois des interventions afin de réparer les éléments défectueux et des contrôles fréquents compte tenu de l usure des structures [MORAZAIN 2011]. En termes d intervention, celles-ci doivent être rapides et efficaces étant donné le nombre important de chantiers d intervention à couvrir. Le Québec connait également une forte activité dans le domaine de la construction (ex. investissements de 46 milliards $ en 2010, soit 14 % du PIB) [CCQ 2012]. Considérant que les ressources allouées à un projet de construction sont généralement limitées, le budget et le temps constituent deux contraintes d'importance dans le processus de réalisation d un tel projet. Les professionnels sur le terrain doivent donc s assurer de la bonne conduite du chantier, de sa progression telle que planifiée et de la conformité du bâti vis-à-vis des plans établis. Une analyse des différentes tâches relatives aux domaines respectivement de la construction et de la maintenance d infrastructures permet de mettre en évidence la prépondérance des opérations d excavation (c'est-à-dire un "Trou dans le sol réalisé par l'enlèvement de la terre" d'après l'office Québécois de la langue française). Que ce soit pour contrôler, réparer, ou encore bâtir de nouvelles structures, il est important de bien connaître l état, la disposition, mais aussi la nature des infrastructures déjà présentes dans le sous-sol sur le lieu des opérations. Le domaine des excavations représente à lui seul des centaines de milliers d interventions chaque année. Les réseaux de communication, les conduites d eau, d égout, de gaz ou encore les câblages électriques constituent un immense réseau souterrain que nous utilisons tous les jours. Lors d une excavation, le bris d une conduite souterraine peut provoquer d importantes coupures d électricité, de communication mais surtout mettre en danger la vie des gens sur place. Que ce soit à Québec, au Québec mais aussi partout à travers le monde, de tels accidents ont lieu chaque année. A Dijon en France par exemple, une même canalisation de gaz a été percée par un engin de chantier deux fois en une semaine. Le chantier ainsi que les appartements et les magasins voisins ont été évacués les deux fois [GAZETTEINFO 2012]. 1

22 a) b) FIGURE 1: INCIDENT LORS D'EXCAVATION: a) UNE CANALISATION DE GAZ BRISÉE A PROVOQUÉ UN GROS INCENDIE; b) UN ENGIN DE CHANTIER A PERCÉ UNE CONDUITE D'EAU, CE QUI A EU POUR CONSÉQUENCE L'INTERRUPTION DES SERVICES DU QUARTIER Le rapport de dommages sur les infrastructures souterraines publié par l'apisq 1 indique que pour la province de Québec, durant l'été 2011, il y a eu 7 accidents par jour en moyenne lors d'excavations impliquant des infrastructures souterraines [APISQ 2011]. Dans 87% des cas, les dommages ont provoqué une interruption de service (eau, électricité, gaz ou encore internet). Cela représente notamment des coûts important en temps, en mobilisation de personnel et en ressources financières. L'APISQ évalue à 3,6 millions de dollars canadiens le coût direct total des bris pour l'année Actuellement, au Québec, la principale source d information en rapport avec les infrastructures souterraines est l organisme «Info-excavation» (Figure 2) [INFOEXCAVATION 2012]. C est une coopérative à but non lucratif ayant pour objectif d offrir un service de renseignement sur d éventuelles structures souterraines en un lieu donné lors d une excavation. C est un service gratuit offert aux excavateurs et au public en général à des fins de sécurité, de protection de l environnement ainsi que de maintien des services à la population. FIGURE 2: PUBLICITÉ POUR INFO-EXCAVATION Ce concept de centre d'appel de prévention et d'information se développe de plus en plus mais, contrairement à certains pays ou états, il n'y a pas encore de législation à ce propos au Québec. En France, par exemple un téléservice "Résaux et canalisations" a vu le jour en septembre 2011 au niveau national et il est maintenant 1 Alliance pour la protection des infrastructures souterraines du Québec 2

23 obligatoire pour les maîtres d'ouvrages et les entreprises de travaux de consulter ce service avant de réaliser des travaux d'excavation [INERIS 2012a]. En 1993, à la création et lors de sa première année d'exploitation, Info-Excavation a traité demandes de localisation. L'organisation compte maintenant plus de 60 membres corporatifs et plus de 70 municipalités. Pour information, le Québec compte actuellement 98 municipalités de plus de habitants sur un total de 1135 municipalités [STATSQUEBEC 2012]. En 2011, demandes de localisation du réseau souterrain des compagnies membres ont été traitées par Info-Excavation. Cela montre une réelle prise de conscience des dangers et risques liés à la présence de canalisations ou câbles lors de chantiers d'excavation. Une demande de localisation auprès d'info-excavation en prévision d'un chantier permet de s'assurer de l'emplacement des différents réseaux souterrains sur le site de travaux. Les demandes de plans et de localisation sont effectuées en ligne sur le site internet de l'organisme ou par téléphone. Cette procédure permet de rentrer en contact avec les entreprises qui possèdent des infrastructures sur place. Une équipe vient faire la détection précise des infrastructures puis le marquage au sol de celles-ci (Figure 3). Les techniques utilisées pour la localisation des infrastructures sont la détection électromagnétique, le radar géologique GPR 2 et le sonar. Le marquage au sol des informations recueillies est réalisé principalement à l aide de peinture, de jalons en bois et de petits drapeaux. Un code de couleur permet de différencier le type de canalisation. Le rouge est réservé aux infrastructures électriques, le jaune au gaz naturel et aux hydrocarbures, le bleu aux aqueducs, le vert aux égouts et le orange aux communications et à la fibre optique. Après le marquage, une fiche de repérage est remise à l excavateur à disposition des travailleurs sur place. Des croquis précis de la zone de travaux viennent compléter ces informations. 2 Ground Penetrating Radar 3

24 a) b) c) FIGURE 3: LORS D'UNE INTERVENTION : a) UNE ÉQUIPE DE SPÉCIALISTES VIENT LOCALISER LES CANALISATIONS : b) UN MARQUAGE AU SOL PERMET DE METTRE EN ÉVIDENCE LES INFORMATIONS RECUEILLIES; c) UN CODE DE COULEUR PERMET DE SPÉCIFIER CES INFORMATIONS Si la localisation et le marquage au sol sont couramment utilisés, il demeure que dans certains cas, une confusion est possible. Parfois plusieurs canalisations se trouvent au même endroit et il est alors important de pouvoir identifier distinctement chacune d'entre elles (Figure 4). D autre part, le marquage au sol ne donne pas d information sur la profondeur et l'agencement des canalisations les unes par rapport aux autres. FIGURE 4: SITUATION D'IDENTIFICATION DIFFICILE AVEC UN SIMPLE PLAN 2D CAR PLUSIEURS CONDUITS SONT SUPERPOSÉS LES UNS AUX AUTRES La démarche actuellement mise en œuvre pour localiser et identifier les infrastructures souterraines à des fins d excavation est encore très approximative, sujète à confusion et peu pérenne. En effet, le marquage au sol peut être altéré en creusant ou encore masqué si la neige fait son apparition (Figure 5). 4

25 FIGURE 5: MARQUAGE AU SOL RECOUVERT PAR LA NEIGE 1.2 Énoncé des besoins Lorsque les équipes d'excavation vont sur le terrain pour effectuer les travaux, ils ont besoin en tout temps de savoir où sont situées les infrastructures souterraines afin d'éviter de les endommager en creusant. Le marquage au sol fait à la peinture est une approche non pérenne car les conditions météos (pluie, neige) ou encore l'avancement de l'excavation peut effacer le marquage (cf. Figure 6). Si les travaux sont réalisés dans une zone avec de nombreuses infrastructures souterraines, le sol peut rapidement devenir un tableau compliqué à lire pour les travailleurs (cf. Figure 6). FIGURE 6: LORSQU'IL Y A BEAUCOUP D'INFORMATIONS, L'INTERPRÉTATION DU MARQUAGE AU SOL DEVIENT DIFFICILE; LE MARQUAGE A AUSSI TENDANCE À S EFFACER AU FIL DU TEMPS COMME L ILLUSTRE LA PEINTURE AU PREMIER PLAN DE LA PHOTO Ainsi, pour améliorer les interventions, il faut pouvoir se reposer sur une représentation explicite des infrastructures souterraines mais également de l environnement relatif afin de faire le lien entre la surface et ce qu il y a en dessous. 5

26 Cette représentation et les informations qui lui sont associées doivent être accessibles sur le terrain et être pérennes. Le professionnel sur site doit pouvoir se déplacer librement autour des éléments d intérêt et ainsi disposer de plusieurs points de vue sur la zone d intervention afin d en avoir une meilleure compréhension. Des interventions plus efficaces sont également attendues si des moyens sont proposés afin de saisir des informations ou d obtenir à la volée des renseignements sur des éléments d intérêt (type de canalisation, âge, matériau). Disposer de telles connaissances peut influencer la façon de procéder. Idéalement, il faudrait être en mesure d'observer à l œil nu ces canalisations enfouies dans le sol. 1.3 Problématique Encore aujourd hui la solution traditionnelle du plan papier, utilisé pour représenter les infrastructures souterraines et le site d intervention, reste prédominante chez les urbanistes et ingénieurs civils (Figure 7) car elle est simple à mettre en œuvre, contient généralement l ensemble des informations requises pour décrire les infrastructures souterraines ciblées (même si cette information est distribuée sur plusieurs plans différents) et peut facilement être amenée sur le chantier. C est un outil fiable, mais limité en termes du point de vue qu il offre sur l objet d'intérêt ou l infrastructure une fois sur le terrain (i.e. l utilisateur ne peut visualiser que le point de vue proposé par le plan; s il veut voir un autre point de vue, il doit imprimer à nouveau un plan). De plus il s agit d une représentation statique que ce soit dans le temps ou dans l espace. Chaque étape du projet constitue un nouveau plan. De même il est très difficile de le modifier à la volée une fois qu il a été imprimé. Il est également problématique de partager à distance les informations transcrites sur papier. FIGURE 7: UTILISATION DU PLAN PAPIER SUR LE TERRAIN L avènement du numérique, des technologies de l information et des plateformes mobiles offrent de nouvelles possibilités en termes d outils d intervention sur site pour les professionnels de l urbanisme et du génie civil. L informatisation des données permet de réaliser et de visualiser des plans sur un ordinateur portable, et ainsi de transporter les données sur le terrain. Les systèmes d information géographique (SIG) tels qu ArcGIS 3 ou MapInfo 4, figurent parmi les différentes solutions logicielles disponibles pour gérer et manipuler des données géospatiales relatives à l environnement. On appelle SIG un logiciel informatique portant sur l'acquisition, le stockage, l'analyse, la

27 gestion et la restitution des données géographiques (d'après l'office québécois de la langue française). Les SIG mobiles (Figure 8) quant à eux, se développent de plus en plus [LACOURSIERE 2010]. Ils permettent notamment de travailler en synchronisation avec une base de données accessibles à distance au travers du réseau Internet, d'obtenir une localisation grâce au GPS (Global Positioning System), d'utiliser les outils d'édition SIG, de procéder à une analyse spatiale ainsi qu'à des requêtes. Le tout, sur le terrain. FIGURE 8: EXEMPLE D'UN SIG MOBILE À l heure actuelle et selon notre connaissance, ils ne répondent pas encore aux besoins de visualisation et d interaction liés à l urbanisme ou au génie civil (plusieurs points de vue, représentation 3D). En effet, cette version numérique des cartes offre plus de possibilités que le plan papier pour les professionnels sur le lieu d'opération, mais elle n'améliore en rien la difficulté de transposer les informations cartographiques 2D dans la réalité qui est 3D. Les représentations dont disposent les ingénieurs civils et urbanistes, qu elles soient papier ou numériques, imposent de leur part une forte sollicitation mentale afin d associer les vues et modélisations proposées par leurs plans et la réalité du terrain (Figure 9). Lorsque les éléments sur lesquels ils doivent intervenir sont enfouis, comme c'est le cas pour des canalisations souterraines par exemple, le travail de représentation mentale est d'autant plus important. Très peu de repères visuels permettent aux professionnels sur le terrain de faire le lien entre les représentations papier ou numériques et la réalité. 7

28 FIGURE 9: LES DIFFÉRENTES SOURCES D'INFORMATIONS ET LES MODÈLES MENTAUX QU'ELLES INDUISENT. L'UTILISATEUR DOIT LES METTRE EN CORRESPONDANCE POUR OBTENIR UNE REPRÉSENTATION MENTALE DE L'INFORMATION [HUGUES 2011]. À la lumière des informations énoncées dans les paragraphes précédents, il apparait que les outils de visualisation d'infrastructures souterraines actuels, qu ils soient papier ou numériques, sont peu adaptés aux opérations conduites lors de travaux (plan 2D). A notre connaissance, il n'existe pas de solution mobile, géolocalisée, qui permette de consulter les informations relatives aux infrastructures souterraines de manière pérenne, avant et pendant les travaux, qui limite les efforts mentaux de l'utilisateur afin de mettre en correspondance ces données avec la réalité du site d'intervention et qui soit adaptée à la variabilité de l'environnement extérieur (i.e. variations d'ensoleillement et d éclairage, présence d obstacles naturels, statiques ou mobiles). Ce défaut d'une solution constitue la problématique abordée dans le cadre de ce travail. Celle-ci peut s énoncer de la manière suivante : «Comment concevoir et développer une solution mobile permettant la localisation sur site des infrastructures souterraines, la visualisation de leur agencement dans le sous-sol et l obtention d information sur leurs caractéristiques selon une approche adaptée aux pratiques actuelles et robuste aux conditions extérieures variables» 1.4 Objectifs L objectif principal du présent travail de recherche consiste à apporter une réponse à la problématique énoncée précédemment, à savoir concevoir et développer une solution mobile permettant la localisation sur site des infrastructures souterraines, la visualisation de leur agencement dans le sous-sol et l obtention d information sur leurs caractéristiques selon une approche adaptée aux pratiques actuelles et robuste à la variabilité des conditions extérieures. Pour ce faire, cet objectif a été décliné en trois sous-objectifs, détaillé ci-dessous, dont la réalisation conduira à la complétion de l objectif principal. 8

29 1.4.1 Sous-objectif 1 La réalisation de l objectif principal nécessite en premier lieu de spécifier les caractéristiques fonctionnelles que la solution doit présenter pour être utile et utilisable dans un contexte lié aux infrastructures souterraines. En effet, il faut que l'outil proposé soit en adéquation avec les pratiques utilisées lors de travaux impliquant des infrastructures souterraines Sous-objectif 2 Après la phase de définition des caractéristiques fonctionnelles (cf. sous-objectif 1), il sera nécessaire de déterminer les éléments constitutifs d une solution qui réponde à la problématique. Il est notamment nécessaire d'évaluer la fiabilité du support mobile utilisé (cf. partie 1.6) pour élaborer une liste de modules logiciels (plug-in 5 ) correctifs des faiblesses de la tablette Sous-objectif 3 Le troisième sous-objectif vise à démontrer la faisabilité d une solution qui réponde aux contraintes inhérentes au contexte des infrastructures souterraines (cf. problématique), qui présentent les caractéristiques attendues (cf. sousobjectif 1) tout en prenant en compte les forces et les faiblesses de la plateforme technologique impliquée (cf. sousobjectif 2). 1.5 Méthodologie Démarche méthodologique Parmi les grandes familles d'approches méthodologiques [COUTURE 1997] fréquemment mises en œuvre dans le domaine de la recherche scientifique, deux approches distinctes ont ici été adoptées: - Approche de type expérimentale : il a été nécessaire de mener des tests de performance, notamment associée à des unités matérielles, de la plateforme mobile ciblée par ce projet afin de déterminer leur capacité actuelle. Ces tests ont eu pour but de mettre en lumière leurs forces et leurs faiblesses. - Approche de type recherche de développement appliqué : ce type de recherche correspond à un rassemblement des connaissances pour développer une solution adaptée à un problème, dans le but ici de produire une solution innovante. La conception et le développement d'un prototype ont mené à des essais sur le terrain, qui ont permis ensuite d'ajuster le prototype et de valider son adéquation vis-à-vis du problème posé, et ce, de façon itérative. 5 Élément logiciel qui s'ajoute à une application plus importante pour en étendre les fonctions. (OQLF, 2006) 9

30 1.5.2 Principales étapes de la méthode de recherche Compte tenu des trois sous-objectifs définis afin de rencontrer notre objectif principal, la méthode de recherche adoptée a consisté en quatre étapes distinctes. Les deux premières, effectuées en partie en parallèle, ont permis de compléter les sous-objectifs 1 et 2. Les deux étapes suivantes ont permis de compléter le sous-objectif 3. Étape 1 : Revue de littérature afin de spécifier les caractéristiques auxquels devra répondre la solution pour être adaptée au contexte de l'urbanisme et du génie civil et notamment aux excavations en présence d infrastructures souterraines. Également, revue des travaux relatifs aux méthodes de visualisation des infrastructures souterraines. Cette étape a consisté d'abord à passer en revue la documentation disponible auprès d'organismes tels que l'apisq ou Info-Excavation ainsi que les documents liés aux pratiques dans les domaines des infrastructures souterraines, ceci afin de pouvoir spécifier les tâches qui pourront être effectuées à l aide de la solution proposée et les caractéristiques fonctionnelles associés à la complétion de ces tâches. Puis une revue des travaux relatifs aux méthodes de visualisation des infrastructures souterraines a été réalisée afin de guider notre choix de solution pour répondre à la problématique. Cette étape a permis de poser les limites de l application en définissant le cadre de travail. Étape 2 : Évaluation des erreurs relatives aux composants technologiques de la plateforme mobile. Cette étape a visé à réaliser une table des caractéristiques des capteurs et éléments relatifs à la plateforme mobile retenue pour la mise en œuvre de la solution proposée, ceux-ci ayant une influence sur ses performances. Parmi ces capteurs et éléments, on peut citer: le GPS, le gyromètre, le compas magnétique. Il a été nécessaire d'évaluer notamment les erreurs de précision et de dérive relatives à certains de ces capteurs afin de concevoir une solution qui puisse compenser ces effets. Pour cela, des expérimentations sur le terrain ont été menées avec la plateforme mobile. Les critères de performance établis au sous-objectif 1 ainsi que des références pertinentes issues de la littérature ont permis de spécifier les bancs d essais. - Étape 3 : Conception et développement d'un prototype. La conception et le développement d un prototype vise à valider la faisabilité d une solution adaptée au contexte des infrastructures souterraines (cf. sous-objectif 3). La conception s'est appuyée sur une revue scientifique des travaux publiés dans la littérature dans le domaine de la réalité augmentée. Le développement itératif s est fait selon une méthode de type AGILE [BECK 2001], incluant des phases de tests pour valider l'adéquation de la solution vis-à-vis des spécifications. - Étape 4 : Évaluation du prototype. 10

31 La dernière étape a consisté à évaluer les performances du prototype vis-à-vis des critères établis à l étape 1 de la méthode de recherche. Plusieurs tests impliquant des contextes d utilisation variés (ex. proche de bâtiments; terrain à découvert) ont été menés. L ensemble des étapes intervenant dans notre méthode de recherche est synthétisé par le diagramme présenté à la Figure

32 Tests Itératifs Étape 1: Revue de littérature Étape 2: Expérimentation Explicitation des tâches intervenant lors d'une excavation & revue des solutions existantes pour la visualisation d'infrastructures souterraines Évaluation de la fiabilité des composants de la plateforme mobile Définition des caractéristiques fonctionnelles attendues pour la solution Élaboration d'une liste de modules logiciels correctifs des faiblesses de la tablette Sous-objectif 1 Étape 3: Développement appliqué Sous-objectif 2 Conception Développement Étape 4: Tests Sous-objectif 3 Essais terrain de validation Objectif Principal FIGURE 10: SCHÉMA MÉTHODOLOGIQUE 12

33 1.6 Considérations applicatives Dans le contexte de ce mémoire, il est important d indiquer le cadre et la portée qui ont été retenus pour ce travail, le temps qui était imparti pour la réalisation de cette maîtrise ne permettant pas d explorer toutes les ramifications du sujet abordé. Le site d étude qui a été choisi pour la réalisation de ce travail est le campus de l Université Laval. Les raisons qui ont motivé ce choix sont la disponibilité de jeux de données relatives à la modélisation 3D du campus (Projet GéoÉduc3D financé par le Réseau de Centres d'excellence GÉOIDE (www.geoide.ulaval.ca)), et l accessibilité du site qui, à la fois, est sécuritaire pour mener des expérimentations en mobilité et offre une bonne variété de bâtiments et de zones couvertes ou dégagées (bâti ou végétation) qui peuvent être représentatives d'un contexte urbain. La tablette tactile qui a été utilisée durant ce projet est l'ipad 2 d Apple. C'est le support matériel auquel nous pouvions avoir le plus facilement accès à l'époque. En effet, il était alors difficile d'obtenir des tablettes performantes dans d'autres technologie telles que Android (délai d'acheminement). Les estimations des ventes de tablettes de l'institut Gartner [GARTNER 2011] confirment par ailleurs notre choix vers Apple, qui était incontestablement à ce moment-là le leader du marché. Également, en termes de développement sur ces supports, la communauté était plus active et importante sur ios. FIGURE 11: VENTES MONDIALES EN 2011 DE TABLETTES EN MILLIERS D'UNITÉS CLASSÉES PAR TYPE DE SYSTÈME D EXPLOITATION; LES VALEURS ASSOCIÉES AUX ANNÉES 2012 ET 2015 SONT DES ESTIMATIONS (D'APRÈS GARTNER) Par ailleurs, il est important de noter que le travail réalisé ne cherche pas à proposer une solution universelle impliquant une tablette considérée comme la plus optimale mais plutôt on s'intéresse à la démarche de conception et développement d'une solution ayant comme support l'ipad2. 13

34 1.7 Structure du mémoire Le contexte du projet de recherche, la problématique et les objectifs associés ainsi que les choix méthodologiques opérés ayant été décrits dans ce premier chapitre, la suite du mémoire va s articuler de la façon suivante. Le chapitre 2 propose une revue de littérature et des concepts qui vont intervenir dans le présent document. Il va notamment recenser les pratiques liées aux excavations et aux infrastructures souterraines ainsi que les travaux de recherche en lien avec la problématique énoncée. Le chapitre 3 présente dans un premier temps les caractéristiques fonctionnelles auxquelles la solution devra répondre en se basant sur les pratiques actuelles. Notre approche expérimentale est ensuite présentée, c'est à dire l étude qui a été menée afin de caractériser les composants de la plateforme mobile utilisée. Enfin, ce chapitre décrit les différentes étapes qui sont intervenues dans la conception et le développement de la solution en tant que telle. Le chapitre 4 est consacré aux expérimentations qui ont été menées afin d évaluer le prototype et à l analyse des résultats obtenus. Le chapitre 5 propose un bilan du travail réalisé et des pistes de réflexion sur des travaux futurs et perspectives relatives à ce projet. 14

35 Chapitre 2 Revue des concepts et de la littérature Dans le but de répondre efficacement à la problématique qui a été définie lors du précédent chapitre, nous avons réalisé une revue des concepts et de la littérature à propos des pratiques d'excavation actuelles, des méthodes de visualisation possibles, des technologies disponibles et des approches conceptuelles en lien avec notre problématique. Ce chapitre présente dans un premier temps les tâches d'importance réalisées lors d'une opération d'excavation. Le recensement de ces tâches a eu pour but de définir les spécifications fonctionnelles de la solution choisie de manière à ce qu'elle soit adaptée aux façons de faire des intervenants sur les chantiers d'excavation. Par la suite, les principaux concepts relatifs aux technologies et méthodes impliquées dans ce projet de maîtrise sont détaillés afin de faciliter au lecteur la compréhension de la pertinence de la solution proposée, de l ampleur des problématiques résolues et des choix opérés. La dernière partie du chapitre est consacrée à une revue de littérature mettant en lumière les approches pouvant apporter une solution à la problématique du projet proposé. Cette revue de littérature a été déterminante dans le choix final de notre solution. 2.1 L'excavation dans la pratique Avant d'entamer la réflexion sur l'élaboration d'une solution au problème posé, un premier travail a consisté à identifier les principales étapes intervenant dans un projet d excavation afin de mettre en évidence les fonctionnalités que la solution envisagée devrait proposer pour répondre aux besoins du domaine et être adaptée aux pratiques en cours. Le «Guide des pratiques d excellence en prévention des dommages» [APISQ 2009] rédigé par l'alliance pour la protection des infrastructures souterraines du Québec (APISQ) fait état de trois étapes principales lorsque sont prévus des travaux impliquant une ou plusieurs excavations: 1) la planification; 2) la localisation; 3) l'excavation Planification Pour éviter un accident, la planification des travaux est essentielle. Il est important de bien connaître l'emplacement exact des travaux qui doivent être effectués, ainsi que la profondeur de l'excavation. Il faut également se renseigner sur ce qui se cache dans le sol afin de se préparer en conséquence. Dans les villes, les villages et même à la 15

36 campagne, il existe un immense réseau souterrain et il est primordial de s'assurer de la présence ou non de telles infrastructures. «DESCRIPTION DE LA PRATIQUE : Les plans de la phase de conception préliminaire doivent indiquer les infrastructures existantes selon les informations accessibles chez les propriétaires/exploitants: électricité, gaz, télécommunications, câblodistribution, eau potable et égouts, etc. Les documents de planification devraient indiquer les tracés possibles du projet et tous les renseignements relatifs aux infrastructures souterraines connues. Les propriétaires/exploitants d infrastructures devraient être en mesure de faire leurs commentaires. Durant l étape de conception détaillée, l information relative aux infrastructures de services publics figure sur les plans. Le concepteur doit inscrire la méthode de collecte d information sur ces plans. Le maître d œuvre et les excavateurs connaîtront ainsi le niveau de qualité de l information qui y est inscrite et décideront des actions de prévention à prendre en conséquence. Toutes les infrastructures existantes, abandonnées, hors d état, projetées ou pour utilisation future doivent y figurer. Les plans de conception doivent inclure les tracés proposés. Ces plans doivent être fournis aux propriétaires/exploitants d infrastructures pour commentaires ou clarifications.» (Guide des pratiques de l'apisq) Au moins 72h avant tout travail nécessitant une excavation, il est primordial d'obtenir ces informations via le guichet d'info-excavation. L'équipe d'info-excavation va alors informer les différents services publics concernés par les travaux. Ces entreprises vont pouvoir remettre à la personne conduisant les travaux, des croquis indiquant l'emplacement des différents câbles et conduits souterrains situés dans la zone d'excavation. La précision de ces informations est variable car les services publics et opérateurs n'ont pas toujours une bonne connaissance de leurs infrastructures. Ils vont également pouvoir envoyer sur place une équipe pour procéder à la localisation ainsi qu'au marquage au sol de la position des infrastructures en sous-sol Localisation et marquage au sol Les différentes compagnies d'eau, de gaz et d'électricité, ont des équipes d'experts qui viennent sur place pour effectuer la localisation et le marquage au sol de leurs infrastructures, afin de compléter et de préciser les informations contenues sur les croquis lorsque nécessaire. Les techniques «non-intrusives» de localisation des réseaux enterrés sont principalement des méthodes acoustiques, par radar géologique, par électromagnétisme ou par sonde. Toutes les techniques ont leurs avantages et limites d'utilisation [INERIS 2012b]. Le choix de la méthode dépend de la nature des réseaux et de l'environnement mais le plus souvent, il est nécessaire d'utiliser plusieurs de ces méthodes parallèlement pour s'assurer d'avoir localisé toutes les infrastructures présentes. La détection par radar géologique (Figure 12) permet de localiser les canalisations quels que soient leurs matériaux par l'émission dans le sol de courtes impulsions électromagnétiques, qui sont réfléchies quand elles rencontrent des changements de milieux. La précision horizontale est de l'ordre de ±15 cm. Néanmoins, la qualité du signal diminue avec la profondeur de la canalisation (précision verticale de ± 10% de la profondeur de la canalisation). Les variations de nature du sol peuvent gêner l'interprétation des résultats. Également, cette méthode ne permet pas 16

37 d'obtenir la nature et le matériau de la canalisation repérée. Elle est généralement employée en complément pour confirmer le positionnement d'une infrastructure déjà repérée et pour spécifier sa profondeur. FIGURE 12: LA LOCALISATION PAR RADAR GÉOLOGIQUE (PARTIE SUPÉRIEURE DE LA FIGURE) PERMET D'OBTENIR LE POSITIONNEMENT HORIZONTAL ET VERTICAL DES CANALISATIONS PAR L'INTERPRÉTATION DES IMAGES RADARS OBTENUES (PARTIE INFÉRIEURE DE LA FIGURE) Les méthodes de localisation acoustiques se basent sur la détection de vibrations à la surface du sol. Ces vibrations peuvent être émises avec un générateur soit dans le fluide de la canalisation, soit directement sur la canalisation ellemême. Elles sont plus spécialement adaptées pour les canalisations en matières plastiques telles que le polyéthylène (PE) et le PVC et permettent une localisation horizontale avec une précision de ±20 cm mais n'indique pas la profondeur d'une canalisation. Les méthodes de détection électromagnétique permettent de détecter et de localiser uniquement les canalisations métalliques (ne fonctionnent pas pour les matières plastiques). Les techniques dites passives (c'est l'objet d'intérêt qui émet ou diffuse le signal mesuré) permettent de mesurer un champ électromagnétique émis par un câble sous tension alternative ainsi que les radiofréquences captées et réémises par un conduit métallique. Des risques de confusion lors de l'identification des éléments présents en sous-sol existent du fait que cette méthode détecte toute masse métallique présente dans le sol, qu'il s'agisse d'une canalisation ou non. Elle est donc principalement employée pour s'assurer de la non-présence de canalisations plutôt que pour une localisation d'une canalisation précise. Les techniques dites actives (raccordement direct sur une canalisation métallique ou un câble électrique) permettent de suivre un conduit en particulier en mesurant le champ électromagnétique induit dans le matériau (Figure 13). 17

38 FIGURE 13: MÉTHODE DE DÉTECTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE EN MODE ACTIF: UN GÉNÉRATEUR DE SIGNAUX EST CONNECTÉ À UN RÉSEAU ÉLECTRIQUE QUE L'ON SOUHAITE LOCALISER. LE RADIODÉTECTEUR MANIPULÉ PAR L'UTILISATEUR LUI INDIQUE LE POSITIONNEMENT DU CÂBLAGE ÉLECTRIQUE SOUTERRAIN ASSOCIÉ (MATÉRIEL DE L'IMAGE: GÉNÉRATEUR GENNY4 ET RADIODÉTECTEUR CAT4 DE SDM TOULOUSE MATÉRIEL 6 ) Les méthodes de détection par sonde sont similaires dans le principe au mode actif de détection électromagnétique à la différence qu'une sonde (raccordée au générateur ou autonome alimentée par piles) est introduite dans la canalisation et émet un signal électromagnétique. Cela permet au récepteur en surface de détecter les canalisations quels que soient leurs matériaux. La mise en œuvre de cette technique peut être compliquée du fait de la nécessité d'accéder à l'intérieur de la canalisation. Dans le cas de l'exemple de la Figure 13, le système CAT4 et Genny4 offre une précision de localisation horizontale de l'ordre de ±10% de la profondeur de la canalisation, la précision verticale est de ±5% jusqu'à 3m de profondeur. Il faut utiliser une sonde pour localiser des canalisations plus profondément enfouies (jusqu'à 7m) avec la même précision [SDM 2013]. Pour résumer, en complément des plans des réseaux souterrains fournis aux excavateurs, la localisation de l'emplacement des canalisations et câbles peut être effectué d'une part au moyen de techniques spécialisées dans la détection de réseaux conducteurs 7 (électromagnétisme, sonde), et d'autre part, par des techniques de radar qui analyse le sous-sol dans sa globalité (tout type de réseaux enterrés). En combinant les informations obtenues par ces différentes méthodes, on peut techniquement obtenir de nombreuses informations sur l'état du sous-sol. Dans la 6 7 Matériau capable de véhiculer un courant électrique 18

39 pratique, les informations fournies aux excavateurs sont l'emplacement, la trajectoire et le type d'infrastructure, qui est alors spécifié par la couleur de peinture utilisée. FIGURE 14: EXEMPLE DE MARQUAGE AU SOL DU RÉSEAU DES EAUX USÉES : LES INDICATIONS PRÉSENTES SONT LA LOCALISATION, LA DIRECTION ET LE CODE COULEUR POUR IDENTIFIER LE TYPE DE CANALISATION La Figure 14 fournit un exemple de marquage au sol. Sur la base de celui-ci, on constate que l intervenant sur site a connaissance de l'emplacement des canalisations d'égout ainsi que de la direction de celles-ci, mais il n'a aucune information sur la profondeur, le diamètre, la nature ou encore la vétusté de l'installation Excavation Une fois la planification effectuée, la localisation et le marquage réalisés, l'entrepreneur passe à l'étape de l'excavation. Dès le début des opérations, une prudence extrême est nécessaire. Peu importe la méthode d'excavation utilisée, il faut garder à l'esprit que la profondeur des infrastructures souterraines peut être de seulement quelques centimètres. Lors de l'excavation, il est important de suivre le marquage au sol qui a été réalisé. En présence d'infrastructures souterraines, les premiers coups de pelles mécaniques doivent être situés à une distance minimale de 1 mètre de part et d'autre du marquage au sol (Figure 15) [GAZMETRO 2010]. 19

40 FIGURE 15: LA PELLE MÉCANIQUE ENTAME L'EXCAVATION À UNE DISTANCE MINIMALE DE 1 MÈTRE DES MARQUAGES AU SOL. L'excavateur doit toujours être accompagné d'un guide ayant bien pris connaissance de la composition du sous-sol, et qui contrôle le déroulement de l'excavation. Avec le nombre d'incertitudes qui entourent ce travail délicat (non connaissance de la profondeur, de la taille et de la nature de l'infrastructure rencontrée), l'excavateur doit souvent intervenir manuellement d'autant plus que les marques au sol risquent de disparaitre ou d'être déplacées en creusant. 2.2 Notions et concepts relatifs aux objectifs de recherche Les prochains paragraphes vont introduire les principaux concepts et notions relatifs aux sujets traités dans ce projet de maîtrise afin que le lecteur ait une meilleure compréhension et appréhension des choix effectués lors de la conception et du développement de la solution proposée, des difficultés surmontées et de l adéquation des résultats obtenus Données géospatiales L'Office Québécois de la langue française définit les données géospatiales également appelées données géographiques comme suit: «Données portant sur les entités spatiales et leurs relations, dans une application géomatique.» Dans un contexte de pratiques d'excellence en prévention des dommages aux infrastructures souterraines, l'apisq définit les données géospatiales dans le lexique de son «Guide des pratiques» de la façon suivante : «Information qui sert à identifier la situation géographique (longitude et latitude) et les caractéristiques d éléments et de frontières de la terre, naturels ou construits par l homme. Ceci inclut également l information relative à l emplacement d infrastructures et aux zones d avis.» Lorsque l'on veut décrire une position géographique particulière, il y a principalement deux systèmes de coordonnées utilisées: géographiques ou cartésiennes. Les coordonnées géographiques s'expriment par la longitude et la latitude d'un point, le plus souvent en degrés, minutes, secondes (Figure 16). 20

41 «Latitude : Angle que fait la verticale d'un point de la surface terrestre avec le plan de l'équateur. L'angle, mesuré en degrés le long d'un méridien, se compte de 0 à 90 degrés vers le nord ou vers le sud, à partir du plan de l'équateur. Longitude : Angle que fait la verticale d'un point de la surface terrestre avec le méridien origine. L'angle, mesuré en degrés le long d'un parallèle, se compte de 0 à 180 degrés vers l'est ou vers l'ouest, à partir du méridien origine situé à Greenwich en Angleterre.» (OQLF, 2006). FIGURE 16: REPRÉSENTATION DE LA LATITUDE ET DE LA LONGITUDE [ESRI 12] La Figure 16 montre la sphère terrestre avec les parallèles qui sont associés aux différents degrés de latitude (1), et les méridiens qui sont associés aux différents degrés de longitude (2). Pour exemple, le point rouge est défini par des coordonnées de 50 degrés Est et 40 degrés Nord. De plus, pour chaque coordonnée latitude/longitude est associée une altitude définie de la sorte: «Élévation verticale d'un point au-dessus d'une surface de référence géodésique qui correspond habituellement au niveau moyen de la mer.» (OQLF, 2006) Le niveau moyen de la mer est également correspond au géoïde qui est une approximation de la surface terrestre plus précise que l'approximation sphérique ou ellipsoïdale. Les altitudes ellipsoïdales ne sont pas consistantes avec le niveau moyen des mers. La différence d'altitude entre les deux surfaces de référence, est appelée ondulation du géoïde et peut aller jusqu'à une centaine de mètres à certains endroits du globe. 21

42 FIGURE 17: REPRÉSENTATION DE L'ALTITUDE ORTHOMÉTRIQUE ET DE L'ALTITUDE ELLIPSOÏDALE 8 La Figure 17 montre que l altitude par rapport au géoïde, noté H (aussi appelée altitude orthométrique) est obtenue en soustrayant l ondulation du géoïde N de l altitude ellipsoïdale h venant du GPS. L ondulation du géoïde N est positive lorsque le géoïde se situe au-dessus de l ellipsoïde et elle est négative lorsque le géoïde se situe en dessous de l ellipsoïde. Les coordonnées cartésiennes (ou planimétriques) sont des «Valeurs exprimant la position d'un point sur un plan horizontal par rapport à un système de référence constitué de deux axes perpendiculaires» (Office Québécois de la langue française, 2006). Afin de transformer la surface de la terre en un plan en deux dimensions, il faut utiliser ce que l'on appelle des projections cartographiques. En effet, il est impossible d'aplatir une surface courbe sur un plan sans provoquer de déformations appelées altérations linéaires. Les projections cartographiques peuvent se distinguer en fonction de leurs caractéristiques géométriques c'est à dire le type de surface de projection obtenu (projections coniques, cylindriques ou azimutales) tel qu illustré à la Figure

43 FIGURE 18: DIFFÉRENTS TYPES DE PROJECTION CARTOGRAPHIQUE : (DE GAUCHE À DROITE) CONIQUE, CYLINDRIQUE ET AZIMUTALE [ESRI 2012] Il est également possible de caractériser les différents types de projections par la nature des déformations de la réalité terrestre qu'elles engendrent. Ainsi, les projections dites conformes conservent localement les angles et donc les formes (ex: UTM 9, Mercator); les projections équivalentes conservent localement les surfaces (ex: Azimutale équivalente Lambert, Eckert IV); les projections aphylactiques ne conservent ni les angles, ni les surfaces mais s'adaptent à une situation donnée (par exemple une projection équidistante conserve les distances le long des méridiens). FIGURE 19: CET EXEMPLE PERMET D'ILLUSTRER LES DÉFORMATIONS ENGENDRÉES PAR TROIS PROJECTIONS DIFFÉRENTES POUR UNE MÊME ZONE GÉOGRAPHIQUE 10 Il est important de prendre en considération la projection des données géospatiales que l'on manipule notamment lorsque l'on combine plusieurs jeux de données. Il faut s'assurer qu'ils utilisent tous la même projection pour qu'ils puissent se superposer correctement (ce qui n'est pas le cas dans l'exemple de la Figure 19). Enfin, il est important de noter également la nuance entre un plan et une carte. Une carte tient compte de la distorsion produite lors du 9 Universal Transverse Mercator 10 Source: 23

44 passage du globe terrestre à la représentation plane ce qui est d'autant plus important que la surface en jeu est grande. Un plan quant à lui ne considère pas ces distorsions et est limité à des régions plus petites (bâtiments, quartier) Positionnement GPS Les cartes sont rendues de plus en plus accessibles au public. L'utilisation de Google Maps 11 par exemple est devenue habituelle pour bien des personnes. De la même façon, le GPS est depuis plusieurs années maintenant bien plus qu'un outil destiné aux professionnels de domaines dédiés (arpentage, aviation, armée). Dans le domaine public, il intervient aussi bien comme outil de navigation dans les voitures afin d'aider le conducteur dans ses déplacements, que comme un composant clé des appareils mobiles (téléphones intelligents, tablettes tactiles). De plus en plus d'applications exploitent la localisation du support mobile dans les services ou fonctionnalités qu elles proposent. Ce que l'on appelle communément GPS (Global Positioning System) est le système de positionnement par satellite américain. On nomme l'ensemble de ces systèmes de positionnement satellitaire sous le sigle anglais GNSS (Global Navigation Satellite System). D'autres pays ont leurs propres constellations de satellites, opérationnels ou en phase de développement (GLONASS en Russie, GALILEO en Europe, Beidou en Chine et IRNSS en Inde). Le système de positionnement GPS se base sur l'exploitation des signaux émis par un réseau de 28 satellites (24 actifs, 4 de secours) répartis sur 6 orbites différentes autour de la terre. Chaque satellite est équipé d'une horloge atomique d'une grande précision, et émet des informations comme la référence du satellite, l'heure d'émission et l'éphéméride. Le récepteur GPS peut grâce à ces informations, calculer le temps mis par le signal pour arriver sur la terre ainsi que la distance entre le récepteur et le satellite. Cette distance définit une sphère centrée sur le satellite et qui passe par la position de l'utilisateur

45 FIGURE 20: LOCALISATION PAR TRIANGULATION DES SIGNAUX GPS 12 Comme l illustre la Figure 20, il faut au minimum 3 signaux pour que le récepteur puisse calculer les coordonnées latitude et longitude d une position à la surface terrestre. Lorsque la répartition des satellites permet de recevoir 4 signaux ou plus (ce qui est souvent le cas), cela conduit à une amélioration de la précision du calcul des coordonnées, et on peut alors estimer les erreurs sur la position et le temps. La précision de la position obtenue dépend de nombreux paramètres. La quantification des erreurs de positionnement a d'ailleurs été l'un des sujets d'étude lors de notre approche expérimentale Autres méthodes de positionnement Dans certains cas, la localisation par GPS est rendue difficile voire impossible. En effet, lorsqu'on se situe à l'intérieur d'un bâtiment par exemple, ou dans une zone urbaine où la hauteur des bâtiments peut provoquer une perturbation dans la réception du signal émis par le satellite, il faut faire appel à d'autres méthodes pour se positionner. Il est alors possible d'utiliser les signaux émis par les tours de téléphonie cellulaire, les points d'accès Wi-Fi ou encore l'ultra wideband (UWB) pour compléter les informations fournies par le GPS. La triangulation des signaux émis par les tours de téléphonie cellulaire est une méthode qui peut s'avérer utile dans des zones urbaines denses où le GPS fonctionne moins efficacement, mais les positions déterminées par ce biais ne sont pas très précises (de 20 à 100m). Le positionnement par signal Wi-Fi quant à lui s'appuie sur la présence de points d'accès, qui se sont beaucoup développés ces dernières années. La technique de localisation utilisée est basée sur la mesure de l'intensité du signal reçu (received signal strength in English: RSS) ou par la méthode de "fingerprinting 13 " [CHEN 2002] Le Fingerprinting est une technologie qui utilise à la fois une triangulation par RSS et d'une modélisation théorique. Le système de localisation est pré-chargé par différents modèles de calibration et va utiliser les mesures issues de la source pour positionner celle-ci par rapport au RSS et au modèle. 25

46 L'utilisation des points d'accès Wi-Fi est uniquement rendue possible dans les zones urbaines où la densité de signal Wi-Fi est suffisante et dépend de la qualité des bases de données relatives à ces points d'accès. Ces bases de données contiennent les adresses MAC (Media Access Control) uniques des points d'accès Wi-Fi ouverts (accès publiques, ou points d'accès privés non sécurisés) ainsi que leurs positions géographiques. Ces informations appartiennent principalement à des compagnies privées (Skyhook Wireless 14, Google). Apple possède sa propre base de données communautaire des emplacements des bornes Wi-Fi depuis 2010 (ils utilisaient celle de Skyhook avant cela). Enfin l'uwb se base sur la transmission d'impulsions de très courte durée et avec une bande passante atteignant de très grandes valeurs. Une explication très complète de cette technique est proposé par David S. Chiu et Kyle P. O Keefe [CHIU 08]. La triangulation des signaux permet une localisation qui est moins sensible aux multitrajets 15 que dans le cas de triangulation Wi-Fi du fait des émissions de courte durée. Un tel système permet d'obtenir une précision de l ordre de 25 cm (cf. Figure 21). FIGURE 21: GRAPHIQUE REPRÉSENTANT LA PRÉCISION DE DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE POSITIONNEMENT 16 Il apparait donc clairement qu'une combinaison des méthodes de positionnement basées sur les données cellulaires, Wi-Fi ou UWB avec l'utilisation du GPS permet de couvrir un grand champ d'action puisque qu'elles sont complémentaires. Le GPS est d'une efficacité maximum en zone non-urbaine, et les autres méthodes de localisation basée sur l'étude des signaux terrestres cellulaires ou Wi-Fi sont plus optimales dans un contexte de forte densité urbaine. Ainsi, les nouveaux appareils mobiles privilégient des approches de localisation hybride reposant sur différentes technologies. Plusieurs systèmes de positionnement de ce type sont opérationnels ou en développement. Un des pionniers en la matière est SkyHook Wireless. De nombreux autres ont suivi le même chemin comme Combain Mobile 17, Navizon 18 ou encore Google Maps for Mobile Phénomène qui se produit lorsqu un signal radio se propage par plusieurs chemins et est reçu sur une antenne

47 2.3 La réalité augmentée Le concept de réalité augmentée (RA) désigne la superposition d un modèle virtuel (2D ou 3D) à la perception de la réalité qu a un utilisateur donné. A l'opposé, la virtualité augmentée concerne l'ajout d'éléments réels dans des environnements virtuels. Ces deux concepts sont regroupés sous le terme de réalité mixte et se situent entre le monde physique réel et la réalité virtuelle, comme le montre le schéma du continuum réel virtuel proposé par Milgram (cf. Figure 22). Chalon [CHALON 2007] propose dans sa thèse un état de l'art très complet à propos de la réalité mixte auquel nous nous référerons. FIGURE 22: LE CONTINUUM RÉEL/VIRTUEL PROPOSÉ PAR MILGRAM [MILGRAM 94] Roussel et Mallem [MALLEM 08] définissent la réalité augmentée de la façon suivante: "La réalité augmentée est un concept rendu possible par un système capable de faire coexister spatialement et temporellement un monde virtuel avec l'environnement réel. Cette coexistence a pour objectif l'enrichissement de la perception de l'utilisateur de son environnement réel par des augmentations visuelles, sonores ou haptiques". Ainsi, la réalité augmentée permet un ancrage direct des informations dans la réalité ce qui facilite la mise en contexte des données, mais aussi la possibilité d obtenir et d afficher des informations invisibles à l œil nu (canalisations souterraines, réseaux électriques). Azuma [AZUMA 2001] quant à lui définit la RA comme un système qui présente 3 caractéristiques essentielles à savoir : 1) le système doit combiner le réel et le virtuel dans un environnement réel; 2) il doit être interactif en temps réel; 3) il fait coïncider des objets virtuels 3D avec les objets réels La réalité augmentée avec marqueurs Il existe plusieurs méthodes qui permettent de mettre en relation les mondes réel et virtuel. L une des premières à avoir été introduite et mise en œuvre consiste à utiliser des marqueurs et une approche de vision numérique impliquant la capture du monde réel au travers d un flux vidéo. Généralement, les marqueurs sont de forme carrée et incluent un motif spécifique en noir et blanc. À chaque motif est associé un ou plusieurs éléments 2D ou 3D qui sont ainsi superposés à l'image capturée par le flux vidéo. La forme carrée des marqueurs permet de déterminer la 27

48 position et l orientation du marqueur vis-à-vis de l appareil servant à les visualiser (e.g. une webcam, un téléphone intelligent, ) et donc d ajuster en temps réel le point de vue de représentation de l augmentation en fonction des mouvements de l appareil (cf. Figure 23). Cette solution donne de bons résultats en milieu contrôlé, notamment si le marqueur est bien choisi et s'il y a peu d'obstacles dans le champ de vue. Plusieurs marques de commerce commencent à utiliser cette méthode à des fins publicitaires. Il est assez simple d'afficher un tel motif sur un emballage ou un produit. Le consommateur peut, au travers d'une application sur son téléphone intelligent, visualiser un modèle ou une animation 3D en observant le marqueur avec la caméra du téléphone. En 2009, Dassault Système a mis son savoir-faire en termes de réalité augmentée au service de Nestlé pour un jeu de réalité augmentée sur certaines boites de céréales [DASSAULT 2009]. a) b) c) d) e) f) FIGURE 23: PRINCIPE DE MISE EN ŒUVRE DE LA RÉALITÉ AUGMENTÉE À L AIDE DE MARQUEUR : a) ON OBSERVE UN MARQUEUR À TRAVERS LA CAMÉRA D'UN TÉLÉPHONE; b) LES IMAGES DU FLUX VIDÉO DE LA CAMÉRA SONT ALORS ANALYSÉES EN TEMPS RÉEL; c) LE MARQUEUR EST ISOLÉ DANS LE CONTENU DE L IMAGE; d) CELA PERMET D'OBTENIR L'ORIENTATION DU MARQUEUR ET DE LUI ASSOCIER UN REPÈRE SPATIAL; e) IL EST ENSUITE POSSIBLE DE POSITIONNER UN MODÈLE 3D (ICI LA THÉIÈRE) EN FONCTION DE CE REPÈRE; f) LE MODÈLE EST AFFICHÉ SUR L'ÉCRAN DU TÉLÉPHONE DE L'UTILISATEUR. IMAGES DE D. WAGNER (T U GRAZ) Si l'utilisation de ces marqueurs permet d'obtenir de bons résultats en milieux contrôlés et avec des modèles 3D de tailles raisonnables (de quelques centimètres jusqu'à quelques mètres), il est difficile d'envisager une utilisation de 28

49 cette méthode dans le cadre d applications professionnelles sur le terrain en environnement extérieur (dégradation des marqueurs, risque qu'ils soient déplacés involontairement, technique invasive) La réalité augmentée sans marqueurs Les solutions de réalité augmentée dites «sans marqueurs» s appuient sur la détection de caractéristiques naturelles (i.e. natural feature tracking) de l'environnement au moyen de processus de vision numérique relativement élaborés. Comme pour l'approche avec marqueur, le flux vidéo est soumis à différentes techniques de traitement d'image afin de reconnaitre des points d'intérêt enregistrés au préalable dans la base de données de l'application. Ces points (i.e. keypoints) sont utilisés comme points d'appui à la mise en oeuvre de la réalité augmentée. a) b) FIGURE 24: LES CARACTÉRISTIQUES (BORDURES, FORMES, TEXTURES) DE L'IMAGE, OBTENUES PAR LE TRAITEMENTS DES IMAGES DU FLUX VIDÉO a), SONT COMPARÉES À CELLES DU MOTIF (ENREGISTRÉ DANS LA BASE DE DONNÉES) À RECONNAITRE. LE FONCTIONNEMENT EST ENSUITE LE MÊME QU'AVEC DES MARQUEURS CLASSIQUES (FIGURE 23) ET L'IMAGE EST ALORS AUGMENTÉE PAR UN MODÈLE 3D DE LÉZARD DANS LE CAS DE L'IMAGE b). Les caractéristiques à détecter peuvent être celles d'une image imprimée (Figure 24) ou encore celles d'un objet 3D. Par exemple, le projet HandyAR [LEE 2008], utilise la main de l'utilisateur comme référence (cf. Figure 25). La détection de la position des doigts de la main permet de positionner un repère spatial auquel il est ensuite possible d'associer un modèle 3D. L'immersion de l'utilisateur est ici mise en avant, au détriment de la robustesse de la solution qui est notamment sensible aux occlusions ou aux mauvaises orientations de la main. 29

50 a) b) c) d) e) f) g) FIGURE 25: LA POSITION DES DOIGTS DE LA MAIN EST DÉTECTÉE (a, b) ET PERMET DE POSITIONNER EN TEMPS RÉEL, UN REPÈRE LOCAL ASSOCIÉ À LA POSITION ET L'ORIENTATION DE LA MAIN (c, d, e, f). IL EST ALORS POSSIBLE D'AFFICHER UN OU PLUSIEURS MODÈLES 3D RATTACHÉS À CE REPÈRE SPATIAL (g). La complexité des algorithmes de détection de marqueurs naturels suppose des situations simples (plus il y a d'objets et de mouvement dans le champ de la caméra, plus l'analyse est difficile) avec des conditions de luminosité très contrôlée. Une utilisation en extérieur est possible mais soumise à de fortes variations. De plus, les marqueurs dits "naturels" ne sont souvent pas pris au hasard. Il s'agit d'une main, d'une ligne d'horizon ou encore d'un visage. Mais il est encore difficile d'envisager la reconnaissance de marqueurs tels qu'une grande variété des bâtiments dans un contexte urbain. Cela est d'autant plus vrai que les conditions environnementales évoluent régulièrement (végétation, neige, etc.). 30

51 Enfin, dans le cas où l'on se trouve dans une zone sans caractéristiques particulières (un champ par exemple), et où l'on veut avoir connaissance des infrastructures souterraines présentes, cette méthode basée sur l'analyse de l'image de la caméra n'est pas envisageable car il n'y a pas d'éléments caractéristiques à analyser La réalité augmentée par géolocalisation Plusieurs solutions de réalité augmentée disponibles actuellement auprès du grand public exploitent des points d intérêts (i.e. POI Point Of Interest en anglais) pour réaliser un enrichissement de la réalité. C est l approche adoptée par des applications telles que Wikitude [WIKITUDE 2008] ou Layar [LAYAR 2009]. Les points d intérêt sont des éléments réels significatifs à la surface terrestre (ex. sommet d une montagne, site historique, restaurant). Ces points d intérêt peuvent être augmentés, i.e. enrichis, par différents types de données multimédias (ex. image, vidéo, texte, modèle 3D) qui sont géoréférencées 20 par rapport aux coordonnées géographiques du point d intérêt auquel elles sont associées. L augmentation est réalisée en combinant les informations issues du GPS, du compas numérique et de la caméra. Ainsi, Wikitude permet d'afficher des données géolocalisées (provenant principalement de Wikipédia) en superposition du paysage capté par la caméra (cf. Figure 26). Cette méthode est intéressante par sa simplicité de mise en œuvre, mais les informations n étant pas positionnées par rapport au flux de la caméra mais par géopositionnement, l'affichage de ces informations est souvent flottant et imprécis [OH 2009]. Cette approche ne correspond d'ailleurs pas à la définition d'azuma [AZUMA 2001] en termes de RA, étant donné que les données servant à l augmentation ne sont pas ancrées dans la réalité. FIGURE 26: APPLICATION WIKITUDE SUR TABLETTE TACTILE EXPLOITANT LES POI Cette approche convient parfaitement pour l'affichage de données génériques telles qu'une montagne, un hôtel, une station-service ou un monument mais cela restreint son champ d'application aux domaines touristiques ou ludiques. L'intérêt d'une telle solution est relativement limité dans un contexte lié à l'urbanisme et aux infrastructures souterraines en particulier. Comme l'explique Stéphane Coté de Bentley Systems Inc. [COTE 2011a], la précision d'une telle méthode n'est pas compatible avec les enjeux de l'ingénierie d'infrastructure : «If you want to get 20 Un élément géoréférencé indique que des coordonnées dans un référentiel global, soit 2D (ex. latitude/longitude) ou 3D (ex. latitude/longitude/altitude), y sont rattachées. 31

52 information about a fire hydrant, you probably want to make sure the information you get is related with that hydrant, and not the drain next to it». Les trois approches de réalité augmentée décrites ci-dessus peuvent être mises en œuvre individuellement ou bien conjointement afin de proposer des solutions hybrides, bénéficiant de la complémentarité de leurs forces. Les nouveaux téléphones intelligents, ou encore les tablettes tactiles sont des plateformes présentant une bonne adéquation avec la réalité augmentée car elles disposent de capteurs permettant de déterminer la position et l orientation de l appareil, elles peuvent proposer une visualisation de la réalité en temps réel au travers de leur caméra intégrée et elles offrent l'avantage de la mobilité. Dans ce contexte, on parle de réalité augmentée mobile, étant donné que l'utilisateur est au centre de la solution, il est son propre avatar dans le déroulement de l augmentation et il est partie prenante des interactions. Les applications de réalité augmentée sur de telles plateformes mobiles se multiplient et sont disponibles pour le grand public et le domaine professionnel. 2.4 Revue de l'existant D après la revue de littérature que nous avons effectuée, il n existe à l heure actuelle que très peu de solutions de réalité augmentée mobile qui puissent être envisageables pour des applications d ingénierie civile ou d urbanisme. L intervention en milieu extérieur est soumise à certains paramètres non contrôlables (luminosité variable, obstruction temporaire du champ de vue par le passage d'une voiture par exemple, etc...) ce qui complexifie la mise en œuvre d une solution robuste. La précision de positionnement requise pour assurer une superposition cohérente entre le réel et le virtuel et par là même favoriser l immersion est difficilement atteignable en environnement extérieur. Par conséquent, plusieurs travaux ont été menés visant à proposer des solutions similaires à la réalité augmentée (en termes de visualisation ou d immersion) tout en relâchant une des contraintes édictée par la définition d Azuma. Ces approches se positionnent donc comme un compromis entre la possibilité de mettre en œuvre des augmentations fiables en milieu extérieur et la satisfaction des critères auxquels une application de RA doit souscrire. Les paragraphes suivants proposent une revue des quelques projets de réalité augmentée appliqués au domaine de l ingénierie civile recensés dans la littérature, et des solutions dites de compromis Le projet VIDENTE Les premières solutions urbaines de réalité augmentée qui ont été élaborées s'appuyaient sur du matériel de pointe dédié (i.e. visiocasque, caméra, GPS externe, ordinateur portable). Plus tard, avec les progrès des technologies impliquées, ces projets ont évolué vers des solutions plus mobiles avec l'utilisation des téléphones intelligents et tablettes. C'est le cas du projet Vidente [SCHALL 2009] qui permet entre autres la visualisation de canalisations 32

53 souterraines (cf. Figure 27). Cette solution combine une visualisation des données à l aide d outil de RA et une manipulation des données à l aide d un SIG. Le suivi de la position et de l orientation du champ de vue de l utilisateur se fait à l aide d un GPS, de capteurs inertiels et d un gyroscope. La superposition des éléments graphiques virtuels dans la réalité se fait au travers du flux vidéo acquis par une caméra associée à une plateforme mobile. Les modèles 3D du terrain et des canalisations ont été géoréférencés au préalable. Lors d'une présentation du projet durant la rencontre The Austrian Smallworld User Group Meeting 2007, un sondage de satisfaction a montré un fort intérêt des industriels pour le produit même si des critiques sur le poids et l encombrement ont été évoquées. En effet les capteurs de pointes utilisés (GPS de type RTK (Real Time Kinematic) L1/L2, et centrale inertielle XSense) n'étaient pas intégrés, mais ajoutés à la plateforme principale. FIGURE 27: VISUALISATION DES CANALISATIONS EN RÉALITÉ AUGMENTÉE (PROJET VIDENTE) Les vidéos de démonstration disponibles sur le site web 21 du projet ou sur YouTube 22 révèlent un manque de stabilité dans l'affichage des informations ainsi qu'une difficulté à comprendre l'information véhiculée (cf. Figure 28) d'une telle méthode où les canalisations sont superposées au flux vidéo

54 FIGURE 28: IMAGE TIRÉE D'UNE DES VIDÉOS DE DÉMONSTRATION DU PROJET VIDENTE ET QUI MET EN AVANT LES DIFFICULTÉS DE PERCEPTION (ABSENCE DE GESTION DES OCCLUSIONS, OU DE LA PROFONDEUR) LIÉES À LA SUPERPOSITION DES ÉLÉMENTS 3D DIRECTEMENT SUR LE FLUX DE LA CAMÉRA L'utilisation de panoramas Plus récemment, pour compenser le manque de précision du GPS lorsque l'on cherche à mettre en œuvre une solution de RA mobile sur téléphone intelligent ou tablette, une équipe de recherche de Bentley Systems inc. s'est intéressée à l'utilisation de panoramas dans un contexte de visualisation d'infrastructures souterraines [COTE 2011b]. Dans le cadre de ce projet, Bentley Systems inc. a notamment travaillé en collaboration avec EarthMine 23 pour l'obtention des panoramas utilisés. Mais il existe d'autres sources disponibles (Google StreetView, Bing Read/Write World), et il est également possible de générer ses propres panoramas à l'aide d'un téléphone intelligent ou d'une tablette [LANGLOTZ 2011]. Les modèles 3D des canalisations ont été incrustées dans le panorama (Figure 29). Une telle approche offre une cohérence entre les différents éléments affichés à l'écran (le panorama qui sert de repère visuel à l'utilisateur et les modèles 3D des canalisations). La navigation dans ce «panorama augmenté» peut alors se faire sur un ordinateur classique et permet par exemple de planifier au bureau les interventions sur le chantier. Une application mobile exploitant le «panorama augmenté» a également été développée. Celle-ci implique une plateforme mobile équipée d un GPS qui introduit alors la position de l'utilisateur. Le panorama affiché est celui qui est le plus proche de la position de l'utilisateur (i.e. pour plusieurs positions de l'utilisateur dans un même périmètre, il n y a qu un seul panorama disponible). Les capteurs (compas, gyroscope) enregistrent l'orientation de la plateforme mobile et ces données sont exploitées dans l application afin de proposer une visualisation du panorama selon le même point de vue

55 FIGURE 29: AFFICHAGE DES CANALISATIONS SOUS LA FORME D'UNE EXCAVATION VIRTUELLE VIS-À-VIS D'UN PANORAMA STREETVIEW Cette solution constitue une alternative intéressante à la réalité augmentée proprement dite étant donné que les modèles 3D sont solidaires avec le panorama, et la visualisation proposée évolue selon la rotation de la plateforme mobile qu effectue l'utilisateur. Cette méthode met également de l avant l'importance de la perception de l'utilisateur au travers d'une représentation graphique très soignée (excavation virtuelle pour donner à l'utilisateur la notion de profondeur). Le fait de ne pas utiliser le flux de la caméra de l'appareil mobile comme référence permet d'éviter les décalages qui peuvent exister à cause d'une localisation imprécise ou instable de l utilisateur. L'utilisation de panoramas augmentés implique néanmoins une navigation relativement statique. En effet, le point de vue étant unique au sein de chaque panorama, l'exploration de l'environnement et la mobilité autour d'un élément en particulier (canalisation, borne fontaine) est plus limité que dans le cadre de la réalité augmentée mobile conventionnelle. Enfin, la préparation préalable des données pour une telle mise en œuvre est relativement conséquente puisqu il faut enregistrer les modèles 3D dans chaque panorama de façon indépendante La simulation située Dans une optique assez différente, Gunnar Liestol et son équipe mènent des recherches qui se situent entre la réalité augmentée et la réalité [LIESTOL 2009]. Ils utilisent le terme de 'Situated Simulation' que nous traduirons par Simulation située en français étant donné qu il n y a pas encore de formulation consacrée dans la communauté francophone de la RA. Une telle simulation située permet d afficher à l'écran d une tablette ou d un téléphone intelligent un monde virtuel apparié à la réalité (cf. Figure 30). Un environnement 3D représentatif de la réalité est simulé puis proposé à l'utilisateur sur sa plateforme mobile. La vue qu'il a de ce monde virtuel suit ses déplacements 35

56 dans la réalité et la solution de RA lui propose une visualisation selon le même point de vue que celui avec lequel il visualise la réalité. Il y a donc une prise en compte en temps réel de la position et de l'orientation de l'utilisateur grâce aux capteurs de la tablette tactile (GPS, gyroscope, compas numérique). Ce suivi automatique des déplacements de l'utilisateur lui permet de se repérer facilement dans l'environnement qu'il explore. Cette solution propose un affichage moins immersif de la scène que l approche de RA mobile mais elle offre beaucoup plus de possibilités de visualisation et d interaction dans la mesure où l'on affiche une représentation 3D de la réalité et non plus la réalité elle-même. On est ainsi plus à même d'interagir avec cette représentation 3D mais aussi moins sensible aux phénomènes liés à l'environnement extérieur (occlusions, changement d'illumination). FIGURE 30: LE PROJET OSBERG DE LIESTOL: UNE SCÈNE VIRTUELLE 3D REPRÉSENTATIVE DE LA RÉALITÉ LOCALE EST AFFICHÉE SUR L'ÉCRAN DU TÉLÉPHONE, LA POSITION ET LE POINT DE VUE DANS LE MONDE VIRTUEL SONT MIS À JOUR EN TEMPS RÉEL SELON LES MOUVEMENTS DE L'UTILISATEUR Les travaux réalisés jusqu'alors sont principalement centrés sur le tourisme et la visite de lieux historiques (Figure 31) mais la simulation située semble être un outil prometteur pour la visualisation des infrastructures souterraines. En effet, le fait de travailler avec un monde entièrement virtuel offre plusieurs facilités en termes de lisibilité des informations, d'interaction, mais aussi de simulation. 36

57 FIGURE 31: VISITE DU MUSÉE NATIONAL D'OSLO EN SIMULATION SITUÉE (G.LIESTOL 2012) 24 : UN MODÈLE HAUTE DÉFINITION DU MUSÉE EST PROPOSÉ À L'UTILISATEUR SUR SON APPAREIL MOBILE, IL PEUT ALORS NAVIGUER AUTOUR DU BATIMENT ET INTÉRAGIR AVEC CE DERNIER EN TEMPS RÉEL AFIN D'OBTENIR LES INFORMATIONS QU'IL SOUHAITE Le tableau suivant (Tableau 1) regroupe les différentes solutions présentées en décrivant les avantages et inconvénients de chacune d'entre elles. Solution de réalité augmentée Solution basée sur Solution basée sur l'utilisation "traditionnelle" l'utilisation de panoramas de la simulation située - Forte immersion - Modèle virtuel ancré à l'image du monde réel - Visualisation simple, détaillée, grande lisibilité des informations Avantages - Peu sensible aux conditions extérieures variables - Très grand potentiel en termes d'interactions - Peu sensible aux conditions extérieures variables Inconvénients - Incohérence possible entre la réalité et l'information - Sensible aux variations de luminosité - L'exploration ne se fait pas en temps réel - Visualisation en rotation uniquement - Moins immersif TABLEAU 1: TABLEAU DE SYNTÈSE DES SOLUTIONS PRÉSENTÉES 2.5 Synthèse du chapitre Ce chapitre regroupe les éléments clés qui ont guidé notre choix de solution afin de répondre à la problématique posée au chapitre 1 à savoir: «Comment concevoir et développer une solution mobile permettant la localisation sur site des infrastructures souterraines, la visualisation de leur agencement dans le sous-sol et l obtention d informations

58 sur leurs caractéristiques selon une approche adaptée aux pratiques actuelles et robuste à la variabilité des conditions extérieures». La description des méthodes et pratiques lors d'une opération d'excavation a permis de spécifier les fonctionnalités attendues de la solution. Il a été clairement défini dans le chapitre 1 que les pratiques actuelles provoquent chaque année de nombreux accidents, qui génèrent d'importantes dépenses en temps et en argent. Les moyens mis en œuvre ne sont souvent pas suffisants étant donnée la complexité des interventions. Comme il l a été souligné dans ce chapitre, il y a une forte volonté de la part des municipalités et compagnies privées d'améliorer cette situation (notamment à travers les démarches de l'apisq). Ainsi, les procédures précédant le début des opérations d'excavation ont été grandement améliorées lors des dernières années (mise en place d'un centre d'appel unique: Info-Excavation, collaboration de la plupart des municipalités et entreprises possédant des infrastructures souterraines). Nous avons également observé que les technologies relatives à la détection des infrastructures souterraines sont performantes et complémentaires afin de couvrir tous les types de canalisations présentes. En revanche, les méthodes de visualisation de l'information collectée sont beaucoup plus simplistes (carte papier, peinture au sol). Cet aspect fait défaut actuellement. Il a été mis en lumière dans le chapitre 2 que l'évolution récente des technologies mobiles et des systèmes de localisation ouvre la voie à la conception d'outils performants pour aider les professionnels à mieux visualiser les structures présentes dans le sous-sol. Dans ce contexte, nous avons vu parmi la diversité d'applications que regroupe le terme générique de réalité augmentée que les solutions basées sur la vision numérique et l'analyse de marqueurs ne sont pas adaptées à notre cas d'étude. Les marqueurs sous formes d'images ainsi que les marqueurs naturels ne permettent pas actuellement (notamment à cause de la variabilité des conditions extérieures) de proposer le suivi nécessaire à la réalisation de la solution souhaitée. De plus, cette approche nécessite la présence des marqueurs visibles en tout temps sur le site d'opération, lesquels pourraient être endommagés ou déplacés au cours des travaux. L'approche par POI ne permet pas une visualisation tangible pour l'utilisateur. Ce type d'augmentation de la réalité est destiné à afficher principalement des informations ponctuelles sur un lieu intéressant ou utile (caractérisé par ses coordonnées géographiques). En effet l'intégration d'objets 3D (les canalisations) dans la vue 2D du flux vidéo de la caméra est encore pour l'instant très approximative (pas de gestion des occlusions, mauvaise gestion des profondeurs et échelles des modèles 3D). L'utilisation de panoramas tels que proposé par Bentley Systems inc. par exemple permet une approche plus adaptée que les précédentes mais reste limitée dans le degré de liberté de mouvement de l'utilisateur. La position fixe imposée par ces panoramas peut être problématique lorsque plusieurs points de vue différents sont nécessaires à l'utilisateur afin d'avoir un jugement objectif du site d intervention. Enfin les opportunités qu'offre la simulation située nous ont paru être suffisamment intéressantes pour que cette piste soit investiguée plus en détails dans le but de répondre à notre problématique. Cette alternative à la 38

59 réalité augmentée semble particulièrement apte à répondre aux défis de mobilité, d'intuitivité, d'interaction et de visualisation relative au contexte des infrastructures souterraines. Compte tenu du contexte, des limitations inhérentes à la mise en place de réalité augmentée en milieu extérieur variable, et des différentes investigations réalisées jusqu'à présent sur des approches de types RA alternatives, la solution de simulation située apparait la plus adaptée pour répondre à la problématique énoncée dans le chapitre 1. Dans le chapitre suivant nous allons spécifier les caractéristiques fonctionnelles attendues de la solution et justifier les choix technologiques qui ont été faits pour ce projet. Enfin, nous allons détailler les étapes de conception et de développement de notre solution. 39

60 Chapitre 3 Conception et développement de l'application Ce troisième chapitre va détailler les différentes étapes de spécification, de conception et de développement de notre solution. Dans un premier temps, en se conformant aux besoins identifiés lors de la revue de littérature et notamment à travers l'étude de la pratique de l'excavation, nous avons défini les caractéristiques fonctionnelles attendues pour une telle solution. Les choix technologiques relatifs à une approche de simulation située seront ensuite expliqués. Parmi ceux-ci, la tablette tactile choisie a fait l'objet d'une évaluation technique dans le but d'identifier ses forces et ses faiblesses. Cette évaluation a notamment permis de définir quels allaient être les principaux composants logiciels à développer pour pallier aux faiblesses détectées. Ce chapitre va également décrire les étapes de création et de modélisation du monde virtuel impliqué dans notre approche de simulation située. Il sera question notamment des problématiques rencontrées lors de l intégration de données géospatiales du monde réel dans un moteur de jeu vidéo et des difficultés relatives à l exploitation d une plateforme mobile. 3.1 Caractéristiques fonctionnelles attendues Dans le chapitre 1, nous avons identifié les principaux besoins en termes d'intervention sur le terrain dans un contexte d excavation, à savoir : Proposer une localisation persistante des infrastructures quelles que soient les conditions météo, l'avancement de l'excavation ou encore la nature du sol. Mettre en relation de façon explicite les infrastructures souterraines et les éléments en surface comme les bâtiments par exemple. Pouvoir consulter les plans des infrastructures sur le chantier, la mobilité étant une caractéristique importante de ce projet. Obtenir des informations sur la nature et sur l agencement des infrastructures et éventuellement pouvoir saisir des notes ou signaler des problèmes pour les excavations futures. La solution élaborée pour répondre à ces besoins est basée sur le principe de simulation située, qui a été expliqué en détail dans la partie Pour mener à bien la conception de notre application mobile et qu'elle réponde aux 40

61 besoins énoncés ci-dessus, plusieurs caractéristiques fonctionnelles attendues ont été mises de l avant. Ce sont elles qui ont guidé la création de l'architecture logicielle et des différents modules développés lors de ce projet: La robustesse 25 de la solution est une caractéristique importante dans notre approche car l'application est destinée à une utilisation professionnelle. On souhaite donc une stabilité d'utilisation malgré la variabilité des conditions extérieures. La localisation des infrastructures souterraines proposée par la solution doit être pérenne et offrir une précision adaptée à l excavation. En pratique, une marge de 1 mètre est conseillée dans le guide des travaux de Gaz Métro par exemple, lorsque l on creuse à proximité d'une canalisation de gaz [GAZMETRO 2010]. Par conséquent, la solution n a pas vocation de permettre à un utilisateur de localiser l infrastructure avec une précision centimétrique. Elle doit lui indiquer la présence de l infrastructure lorsque celle-ci se trouve effectivement dans l environnement physique. La position indiquée dans le monde virtuel doit permettre à l utilisateur de la repérer dans son propre environnement et ce, quelles que soient les conditions extérieures ou climatiques (ce qui n'est pas le cas actuellement avec le marquage au sol). Ce repérage peut se faire avec une marge d erreur de l ordre du mètre. La visualisation proposée par la solution doit permettre de déterminer l agencement des canalisations les unes par rapport aux autres ainsi que l'ordre de profondeur. On veut ainsi savoir si la canalisation est proche de la surface ou bien profondément enfouie. Ces informations essentielles au bon déroulement d'une excavation ne sont actuellement pas représentées par les marquages au sol. Elles doivent permettre aux excavateurs des interventions plus éclairées sur le site d'opération. La mise en place d'interaction avec les informations relatives aux canalisations (diamètre, matériau, etc.) est importante et peut influencer la façon d aborder le creusage. On souhaite pouvoir interagir avec les infrastructures présentes et leur environnement afin d'obtenir les métadonnées disponibles avant de procéder à l'excavation. La solution doit être ergonomique, intuitive, et permettre de simplifier la tâche des professionnels sur le terrain. Ces caractéristiques représentent le point de départ de notre conception d'une solution mobile de visualisation des infrastructures souterraines. Comme les solutions de simulation située reposent principalement sur l'utilisation des différents capteurs du support mobile, il a paru important de les évaluer pour déterminer les éléments qu'il faudra 25 Qualité d'une méthode conduisant à des résultats peu affectés par la variation des facteurs secondaires non fixés dans le protocole et intéressant aussi bien la méthode que l'appareillage. (OQLF,1982) 41

62 intégrer à la solution afin de pallier aux limites du support mobile. La partie suivant présente les résultats des évaluations réalisées. 3.2 Évaluation de la tablette tactile Les récentes avancées technologiques en termes de matériel mobile (téléphones intelligents et tablettes tactiles) ont facilité le choix de notre support matériel pour ce projet. Comme expliqué dans la partie 1.5, l'ipad2 a été choisi comme plate-forme mobile car peu d'autres tablettes étaient sur le marché au début du projet et ses performances ont été bien classées parmi les études de marché. Les caractéristiques de cet appareil sont résumées dans le tableau suivant (Tableau 2): Modèle ipad 2 Wi-Fi + 3G Écran Écran tactile multipoint rétro éclairé par DEL de 25 cm de diagonale d'une définition de pixels Processeur Apple A5 cadencé à 1GHz (double cœur), avec processeur graphique PowerVR SGX 543MP2 Mémoire vive 512 Mo Capacité 64 Go Sans-fil Wi-Fi (802.11) et Bluetooth 2.1+EDR (Enhanced Data Rates) Réseau cellulaire 3G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) et 2G EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) Géolocalisation GPS assisté, Skyhook Wireless et géolocalisation par triangulation cellulaire Capteurs Accéléromètre, capteur de luminosité ambiante, magnétomètre (boussole numérique), gyroscope Caméra Batterie Poids Dimensions Définition VGA 0.3MP en façade, définition 0.7M à l'arrière Batterie rechargeable lithium polymère intégrée Autonomie pouvant atteindre 10 heures en lecture vidéo et navigation sur Internet en Wi-Fi (9 heures sur 3G), 140 heures en lecture audio et 1 mois en veille 613g 241,2mm x 185,7mm x 8,8mm TABLEAU 2: SPÉCIFICATIONS TECHNIQUES DE L'IPAD2 Pour compléter les spécifications matérielles connues, une phase expérimentale de tests sur les capacités de certains capteurs de l'ipad2 a été menée au début de ce projet. Cette phase préliminaire a été nécessaire car il existe très peu de documentation sur les performances des capteurs de l'ipad2. Ces tests ont ciblé plus particulièrement deux composantes distinctes essentielles lors de la mise en œuvre d'une application de simulation située: la composante de positionnement de l'utilisateur et la composante d orientation de l'appareil. Dans un premier temps des tests de positionnement ont été effectués afin d'évaluer les capacités de géolocalisation, puis un banc d'essai a été mis en place pour effectuer les tests d'orientation dans l'espace Positionnement Les tests de positionnement ont été réalisés sur le campus de l'université Laval. En effet, celui-ci comprend de nombreux points de repère géoréférencés et il présente une bonne diversité de cas d'étude pour le géopositionnement (ex. à découvert; sous des zones boisées; ). Nous nous sommes notamment appuyés pour 42

63 effectuer les tests sur les nombreuses bornes géodésiques présentes sur le campus (Figure 32). Nous avons uniquement évalué le positionnement horizontal car l'altitude de l'utilisateur sera déterminée par la topographie du terrain (obtenue à partir de données cartographiques) et sa position horizontale sur celui-ci. FIGURE 32: REPRÉSENTATION À L AIDE DE GOOGLE EARTH DES BORNES GÉODÉSIQUES DU CAMPUS DE L'UNIVERSITÉ LAVAL Le protocole mis en place pour évaluer les erreurs de positionnement du récepteur GPS de l ipad2 consiste à prendre des mesures de positionnement avec l'ipad2 depuis des emplacements géoréférencés du campus et de les comparer avec les valeurs de référence afin d'évaluer l'erreur de positionnement. Les paragraphes suivants vont décrire plus en détail les quatre étapes du protocole: Étape 1: Choix des points de référence pour effectuer les mesures Nous avons choisi 5 bornes géodésiques, ainsi que 6 autres points de repères complémentaires avec un géoréférencement en latitude/longitude. La distribution de ces points de référence couvre plusieurs configurations spatiales dont une sous couvert forestier (sous un regroupement de plusieurs arbre feuillus qui obstruent la réception des signaux GPS) et une très proche d'un obstacle urbain (collé à un abri bus). Deux des bornes géodésiques sont situées à une distance d'environ 30 mètres de hauts bâtiments, alors que deux des repères géoréférencés sont très proches de hauts bâtiments (environ 10 mètres). Enfin, deux des bornes géodésiques et 3 des repères géoréférencés sont situés dans des zones dégagées (visibilité maximum de la constellation satellitaire, aucun obstacle pour la réception des signaux GPS). La distribution des bornes et des repères géoréférencés pour les tests de positionnement est représentée sur la Figure

64 FIGURE 33: REPRÉSENTATION DANS GOOGLE EARTH DES 5 BORNES GÉODÉSIQUES ET 6 REPÈRES COMPLÉMENTAIRES SÉLECTIONNÉS POUR LES TESTS DE POSITIONNEMENT Étape 2: Utilisation d'une application dédiée à l'acquisition de données de localisation sur ipad2 Sur le terrain, munis de l'ipad2, nous avons utilisé l'application «GPS Device Data» (Figure 34) qui permet d'accéder aux informations fournies par le service de localisation de l'ipad2 (latitude, longitude, altitude, taux de mise à jour des données). Pour déterminer la position de l'utilisateur, le service de localisation de l'ipad2 allie le GPS à une base de données communautaire des emplacements des bornes d'accès Wi-Fi et des antennes-relais de téléphonie mobile. La connexion Wi-Fi permet notamment au GPS assisté (A-GPS) de l'appareil de localiser plus rapidement les satellites GPS visibles en plus de fournir des informations de localisation par triangulation. En l'absence de signal Wi- Fi ou cellulaire, le service de localisation fournit uniquement les informations du GPS, sinon la position fournie résulte d une combinaison des signaux disponibles (l'algorithme employé n'est pas accessible ni documenté). Cette application permet également d'avoir accès aux réglages mis à la disposition des développeurs pour la réalisation d'applications utilisant le service de localisation de l'appareil. Ainsi, il est possible de sélectionner la précision souhaitée pour le positionnement («Desired Accuracy» : Best, 10, 100, 1000 mètres). Dans notre cas, on a choisi la précision la meilleure possible ('Best'). On peut également fixer une distance parcourue minimale entre deux mises à jour successives («Distance Filter»: None, 5, 10, 25, 50, 100). Si l'on choisit de ne pas mettre de filtre de distance ('None'), toutes les mesures obtenues par le récepteur GPS sont mises à jour. Il n'est par contre pas possible d'obtenir de renseignement sur le nombre de satellites visibles par le récepteur GPS. 44

65 FIGURE 34: APPLICATION «GPS DEVICE DATA» SUR IPAD2 La Figure 34 présente les informations de positionnement fournies par l application lorsque nous étions sur le repère géoréférencé 1. Les coordonnées théoriques de ce point de repère sont : ( , ). Étape 3: Relevé de mesures Les mesures ont été réalisées dans différentes conditions météorologiques pour prendre en compte les problèmes liés à la couverture nuageuse. Deux séries de 10 mesures ont été effectuées, la première sous un ciel dégagé (ciel bleu, pas de nuage), la deuxième avec une forte couverture nuageuse. Étape 4: Comparaison avec les positions de référence Les mesures de latitude et de longitude fournies par l'application disponible sur l'ipad2 ont ensuite été comparées aux positions associées aux bornes géodésiques ou aux repères géoréférencés. L'erreur au sol entre la position mesurée et la position de référence a été calculée selon la distance orthodromique et a été exprimée en mètres. La formule de calcul de distance orthodromique permet d'obtenir la plus courte distance entre deux points à la surface du globe terrestre [BAUDU 2006]. Il faut pour cela transformer les coordonnées de longitude et latitude en radians et appliquer la formule (1) de calcul de distance orthodromique. ( ( )) (1) Dans cette formule, D est la distance orthodromique recherchée, en mètres, R est le rayon moyen de la terre ( mètres), (φ1, λ1) sont les coordonnées (longitude, latitude) du premier point en radians et (φ2, λ2) sont les coordonnées (longitude, latitude) du deuxième point en radians. Dans le cas de l'exemple précédent faisant intervenir le repère 1, on obtient une erreur au sol de 3,15 mètres. 45

66 Pour plus de clarté dans les résultats de ces tests, les deux séries de 10 mesures effectuées à partir de la borne 7615 seront exposées en détail dans un premier temps, puis nous présenterons un tableau de synthèse regroupant l'ensemble des bornes géodésiques et des repères géoréférencés. La borne 7615 est située dans un endroit relativement dégagé, sans obstacles apparents et à une distance d'environ 50 mètres d'un haut bâtiment. Cela correspond donc à une configuration favorable parmi celles testées. Borne 7615 Latitude ( ) Longitude ( ) Erreur au sol (m) Coordonnées théoriques 46, , Mesure 1 / Ciel dégagé 46, , ,11 Mesure 2 / Ciel dégagé 46, , ,69 Mesure 3 / Ciel dégagé 46, , ,95 Mesure 4 / Ciel dégagé 46, , ,95 Mesure 5 / Ciel dégagé 46, , ,40 Mesure 6 / Ciel dégagé 46, , ,82 Mesure 7 / Ciel dégagé 46, , ,04 Mesure 8 / Ciel dégagé 46, , ,49 Mesure 9 / Ciel dégagé 46, , ,85 Mesure 10 / Ciel dégagé 46, , ,76 Erreur moyenne au sol avec ciel dégagé 4,90 Mesure 11 / Ciel couvert 46, , ,33 Mesure 12 / Ciel couvert 46, , ,08 Mesure 13 / Ciel couvert 46, , ,76 Mesure 14 / Ciel couvert 46, , ,40 Mesure 15 / Ciel couvert 46, , ,69 Mesure 16 / Ciel couvert 46, , ,81 Mesure 17 / Ciel couvert 46, , ,20 Mesure 18 / Ciel couvert 46, , ,81 Mesure 19 / Ciel couvert 46, , ,34 Mesure 20 / Ciel couvert 46, , ,09 Erreur moyenne au sol avec ciel couvert 7,30 TABLEAU 3: RÉSULTAT DES MESURES EFFECTUÉES SUR LA BORNE 7615 Le Tableau 3 donne un exemple (avec la borne géodésique 7615) de la précision de positionnement avec laquelle on va devoir composer. Tout d'abord, ce tableau met en évidence certaines valeurs absurdes supérieures à 50m (mesures 3, 11 ou 18 en rouge). Ces mesures devront être filtrées afin de ne pas perturber le processus de suivi de position de l'utilisateur et donc la navigation dans l'application. Pour la première série de 10 mesures avec un ciel dégagé, l'erreur au sol varie entre 2 et 10 mètres, pour une valeur moyenne de 5 mètres. Pour la deuxième série de 10 mesures, les valeurs minimale (4m), maximale (11m) ainsi que la valeur moyenne (7m) de l'erreur au sol sont légèrement supérieures. 46

67 La même procédure a été appliquée à l'ensemble des bornes géodésiques et repères choisis pour cette phase de test. Le Tableau 4 résume l'ensemble des résultats obtenus concernant les erreurs au sol relevées lors de celle-ci. Ciel dégagé Ciel couvert Caractéristiques Erreur moyenne Min/Max Erreur moyenne Min/Max Borne ,90 1,95/9,76 7,30 4,08/10,69 Zone dégagée Borne ,63 1,72/9,97 7,92 1,89/14,73 Zone dégagée Borne ,79 2,56/8,42 8,20 2,06/13,72 Sous couvert forestier Borne 0402 Borne ,82 6,55 1,76/10,84 0,31/9,99 8,21 6,40 3,68/10,82 3,21/11,72 Proximité de hauts bâtiments (distance: 30m) Repère 1 4,84 1,59/9,25 6,53 3,08/16,74 Zone dégagée Repère 2 4,52 1,53/9,00 6,50 4,25/9,23 Zone dégagée Repère 3 6,23 1,15/9,32 5,03 3,21/13,76 Obstacle: abri bus Repère 4 4,15 1,02/11,42 8,20 1,34/15,77 Zone dégagée Repère 5 Repère 6 9,90 9,17 3,63/18,00 5,89/12,07 10,91 11,32 5,26/17,00 3,33/15,96 Proximité de hauts bâtiments (distance: 10m) TABLEAU 4: TABLEAU DE SYNTHÈSE DES ERREURS AU SOL MESURÉES EN FONCTION DES OBSTACLES URBAINS ET DES CONDITIONS NUAGEUSES Pour ne pas biaiser les résultats, et en sachant qu'elles pourront être filtrées, les valeurs absurdes (supérieures à 50m) ne sont pas prises en compte dans le calcul de l erreur moyenne et des min/max. 47

68 FIGURE 35: SYNTHÈSE GRAPHIQUE DU TABLEAU 3 Le Tableau 4 et la Figure 35 permettent de formuler plusieurs observations vis à vis du positionnement obtenu en fonction des conditions environnementales. Tout d'abord, on note une certaine constance dans le positionnement en zones dégagées, avec des erreurs moyennes comprises entre 4 et 5m dans le cas d'un ciel dégagé et entre 6,5 et 8,5m avec un ciel couvert. En termes d'influence des obstacles, ceux-ci ont tous pour conséquence d'augmenter l'erreur de positionnement, et en particulier, la proximité de hauts bâtiments (repères 5 et 6) perturbe fortement le positionnement (erreur au sol moyenne: 11 mètres). Dans l'ensemble des mesures réalisées, les erreurs au sol sont comprises entre 0,3 (dans les conditions les plus favorables au bon fonctionnement du GPS: pas d'arbre ou de bâtiment à proximité, ciel dégagé) et 18m (dans de mauvaises conditions: très proche d'un bâtiment avec un ciel couvert). La précision du positionnement obtenu grâce à l'ipad varie donc de façon conséquente (quasiment 20 mètres), ce qui explique les difficultés rencontrées lorsque l'on souhaite mettre en place une application de réalité augmentée en extérieur qui se base sur ce positionnement. Il est important de remarquer l'influence des perturbations liées aux obstacles urbains et en particulier lorsque l'on se rapproche de bâtiments, et que l'on se retrouve dans une situation de canyon urbain comme dans le cas du repère 6. Enfin la présence d'une forte couverture nuageuse semble augmenter également les erreurs au sol de 2 à 4m d'une façon générale. Si l'on se réfère à la littérature, il semble que la couverture nuageuse ne soit pas un facteur d'erreur: «Weather conditions, including cloud cover and precipitation, generally do not affect the GPS receivers (hardware) capability of collecting accurate data. However, cold temperatures near and below freezing could affect the GPS receiver LCD screen and battery life» [NYSGIS 2007]. La différence de précision constatée entre les mesures sous ciel nuageux et les mesures avec un ciel dégagé 48

69 peut provenir de la couverture satellitaire qui varie selon le moment de la journée et qui est un facteur que l'on n'a pas pris en compte, ces données (i.e. nombre de satellites visibles) n'étant pas fournies par l'ipad Orientation De même que pour le récepteur GPS, il existe très peu de documentation sur les caractéristiques des capteurs de mouvements de l'ipad2. Les deux éléments auxquels nous nous sommes intéressés sont le compas numérique (pour connaitre l'orientation de l'utilisateur par rapport au nord à l'initialisation de l'application notamment) et le gyroscope de l'ipad2 (pour suivre les mouvements de l'utilisateur suivant les 3 axes de rotation de l appareil). Plusieurs applications permettent d'obtenir les données brutes de ces deux capteurs. Pour pouvoir réaliser nos mesures plus facilement, un banc de test composé d'un support pivotant pour la tablette ipad2 a été réalisé (Figure 36). Ce support nous a permis de réaliser les mesures autour de l'axe de l'ipad qui correspond à une rotation de l'utilisateur sur luimême (i.e. qui est sollicité lorsqu'il observe autour de lui à 360 et correspond à l'axe du compas numérique). Nous avons constaté que le fonctionnement du gyroscope suivant chaque axe était sensiblement le même. Par conséquent, nous n avons mené des tests quantitatifs à partir du support pivotant que suivant un seul axe. FIGURE 36: L'IPAD2 EST FIXÉ SUR LA TABLETTE PIVOTANTE NOIRE. CELLE-CI PERMET D'EFFECTUER DES ROTATIONS DE 360 AUTOUR DE L'AXE Z DE L'IPAD (PERPENDICULAIRE À LA SURFACE DE SON ÉCRAN) La boussole numérique Pour la boussole numérique, le protocole expérimental que nous avons suivi consiste en la réalisation de 10 séries de mesures (sur le banc de test étalonné). Pour chaque série de mesures, nous avons relevé l'orientation de la tablette par rapport au nord géographique (le nord magnétique étant soumis fortement aux perturbations magnétiques nous n'avons pas souhaité l'utiliser pour notre application étant donné les nombreux éléments métalliques présents sur un chantier). Les mesures ont été réalisées à 0, 90, 180, 270 et 360. Nous avons jugé qu'un pas de mesure de 90 était suffisant pour évaluer le compas numérique car il n'y pas d'accumulation d'erreur avec ce type de capteur (comme c est le cas avec le gyroscope). Étape 1: Étalonnage du banc de test 49

70 Pour étalonner notre banc de test, nous avons utilisé une boussole (Figure 37), en prenant soin d'ôter les composants métalliques de la plateforme (vis et rondelles assurant le système de rotation du support de la tablette) pour ne pas perturber la boussole. Elle nous a permis de positionner la graduation 0 de notre banc de test au nord géographique. Une boussole classique permet d'obtenir le nord magnétique au degré près. Il a donc fallu prendre en compte la déclinaison magnétique 26 qui est une valeur qui évolue dans le temps et dans l'espace et que l'on peut obtenir sur le site de «Ressources Naturels Canada» 27. Lorsque nous avons effectué nos expérimentations, la déclinaison magnétique était de 16 22' W. FIGURE 37:ÉTALONNAGE DU BANC DE TEST AVEC UNE BOUSSOLE Étape 2: Réalisation des mesures L'application "Compass-Pro" a permis de collecter les séries de mesures réalisées sur le banc de test (Figure 38). a) b) 26 Écart angulaire mesuré horizontalement entre la direction du nord géographique et celle du nord magnétique, en un lieu et à un instant donné. (OLFQ, 2006)

71 c) d) FIGURE 38: LES IMAGES a) ET b) MONTRENT LE DISPOSITIF DE ROTATION UTILISÉ POUR LES TESTS D'ORIENTATION. LES IMAGES c) (CAPTURE D'ÉCRAN DE L'APPLICATION) ET d) (PHOTOS) MONTRENT RESPECTIVEMENT DES MESURES DE 4 ET 91 EFFECTUÉES AUX ANGLES RÉFÉRENCES 0 ET 90. Étape 3: Analyse des mesures Orientation de référence en fonction du nord géographique Mesures réalisées avec un pas de 90 sur une rotation de l'ipad de TABLEAU 5: TABLEAU DES DONNÉES FOURNIES PAR LE COMPAS NUMÉRIQUE DE L'IPAD2 EN FONCTION DU NORD GÉOGRAPHIQUE. LES VALEURS ÉTANT COMPRISES ENTRE 0 ET 360, LA MESURE DE 356 CORRESPOND À UN ÉCART DE 4 PAR RAPPORT À L'ANGLE DE RÉFÉRENCE (0 ). Le Tableau 5 présente l'ensemble des mesures relevées pour chaque rotation de 360 effectuée. Les erreurs angulaires varient entre 0 (en vert) et 6 (en rouge). L'erreur moyenne constatée sur l'ensemble des mesures est de 2,5. De plus, bien que cela ne figure pas dans le tableau, les séries de mesures effectuées ont mis en évidence une latence avant que la mesure du cap se stabilise (1 à 2 secondes parfois) Le gyroscope Pour le gyroscope, deux types de tests ont été réalisés afin de déterminer si une dérive relative aux angles de rotation (pour chacun des 3 axes) existe en mode statique dans un premier temps puis en mouvement ensuite. Pour l'évaluation en mode statique, les relevés ont été réalisés à une fréquence de 10 mesures par seconde (10Hz) pendant une durée de 10 secondes (la tablette étant immobile). Ce contexte correspond à la quantité maximale 51

72 Dérive en degres d'enregistrement de données permise par l application (100 mesures). Néanmoins, il faut noter que la fréquence maximale de mise à jour des informations du gyroscope est de 100 Hertz. L'application de collecte de données "Data Collection Free" (Figure 39) permet d'obtenir des enregistrements de mesures gyroscopiques à partir des informations brutes produites par les capteurs. Ces informations sont fournies sous forme de fichiers textes qu'il est alors possible d'exploiter avec un logiciel de type tableur. a) b) FIGURE 39: L'APPLICATION «DATA COLLECTION FREE» PERMET D'OBTENIR LES DONNÉES BRUTES DU GYROSCOPE a), ON OBTIENT ALORS UN FICHIER TEXTE CONTENANT LES DONNÉES RELATIVES AU GYROSCOPE POUR UNE DURÉE DE 10 SECONDES À UNE FRÉQUENCE DE 10HZ b). Pour plus de lisibilité, les données obtenues ont été regroupées dans un graphique qui présente les dérives existantes suivant les 3 axes du gyroscope (Figure 40). 0,5 0,3 0,1-0,1-0,3-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 Temps (en secondes) Dérive X Dérive Y Dérive z FIGURE 40: GRAPHIQUE MONTRANT LA DÉRIVE EN DEGRÉS DU GYROSCOPE POUR UNE PÉRIODE DE 10 SECONDES 52

73 Rotation efectuée en degres Le graphique de la Figure 40 présente la dérive en degrés suivant les 3 axes de rotation de l'appareil sur une période de 10 secondes. Lorsque la tablette est statique, la dérive du gyroscope est très faible. Sur l'axe des x (angle de roulis / roll cf. Figure 39), la dérive est inférieure à 0,1. Sur l'axe des y et des z la dérive est inférieure à 0,5. Il est important que la dérive soit faible en position statique (lorsque l'utilisateur souhaite observer un élément en particulier, il faut qu'il puisse rester centré sur celui-ci). L'utilisation souhaitée de l'application a également une composante dynamique (un utilisateur qui effectue des changements d'orientation afin d'obtenir tous les points de vue qu'il souhaite). La deuxième phase de tests a donc consisté en l'évaluation de la dérive dans une situation de mobilité. Pour cela, des rotations de 360 (un pas d angle élevé a été choisi ici afin de mettre clairement en évidence la dérive des mesures) ont été effectuées afin de vérifier la dérive lorsque l'utilisateur modifie l'orientation de la tablette. Pour chaque axe, 10 rotations de 360 ont été réalisées chacune sur une période de 10 secondes. De la même façon que pour l'évaluation en mode statique, l'application "Data Collection Free" a fourni un fichier texte (.txt) avec les données du gyroscope. Ces données ont été mises sous forme graphique pour une analyse subséquente (Figure 41) Rotation de 360 degres autour de l'axe y ,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 Temps (en seconces) FIGURE 41: EXEMPLE DES MESURES DE ROTATION OBTENUES VIA LE GYROSCOPE LORS D'UNE ROTATION DE 360 DEGRES DE L'IPAD AUTOUR DE L'AXE Y Le graphique de la Figure 41 présente les mesures obtenues lors d'une rotation de 360 suivant l axe Y (i.e. angle de tangage/ pitch, cf. Figure 39). On observe que pour une rotation complète autour de l axe Y, il y a une légère dérive 53

74 qui se traduit par le fait que l'orientation initiale n'est pas la même que l'orientation finale (moins de 2 degrés d'écart dans cet exemple). La dérive en mode dynamique est légèrement supérieure à la dérive en mode statique. Les graphiques des axes x et z, fournissent des résultats similaires Conclusions de l'évaluation L'ensemble des tests réalisés sur la tablette tactile ipad2 nous a permis d'extraire des informations importantes relatives aux capteurs embarqués qui vont être utilisés comme sources de données en entrée de l'application développée. L'évaluation de la position fournie par le GPS permet de tirer plusieurs conclusions: Les valeurs des erreurs au sol sont comprises en moyenne entre 1 et 10m. Cette précision est suffisante pour développer un prototype fonctionnel étant donné qu'une précision métrique convient d'après les caractéristiques attendues. Certaines positions erronées (supérieures à 50m en termes d'erreur) sont parfois fournies par le GPS et devront donc être filtrées de façon à garder une continuité et une cohérence avec le déplacement de l'utilisateur. La proximité de hauts bâtiments perturbe la précision de positionnement de même que le couvert forestier. Nous avons remarqué une détérioration de la précision du positionnement avec la présence d'une forte couverture nuageuse mais la littérature indique que les conditions n'affectent pas la propagation du signal GPS. Nous avons conclu qu'un autre paramètre que nous n'avions pas pris en compte intervient: possiblement le nombre de satellites visibles au moment de la mesure. Par ailleurs, comme nous l avons mentionné préalablement, l'utilisation des mesures d'altitude comme références de positionnement vertical n'est pas nécessaire étant donné que l'altitude de l'utilisateur sera déterminée par la topographie du terrain et sa position horizontale sur celui-ci. L'évaluation des mesures relatives à l orientation de la tablette à partir des enregistrements fournis par le gyroscope et de la boussole numérique permet de tirer les conclusions suivantes quant aux capacités d'orientation de l'ipad2 La boussole numérique a une précision de l'ordre de +/-5 La boussole numérique met parfois quelques secondes à se stabiliser avant de fournir une valeur angulaire stable. 54

75 La dérive du gyroscope est relativement faible sur les 3 axes en position statique (<0,5 sur une période de 10 secondes). En fonctionnement dynamique, la dérive du gyroscope est inférieure à 2 degrés. Les informations recueillies sur les performances de l'ipad2 nous ont permis d'identifier les faiblesses de la tablette, et ainsi de définir les composants nécessaires lors du développement de la solution. La partie suivante présente l'architecture logicielle qui a été conçue ainsi que les composants de l'application développée. 55

76 3.3 Architecture Logicielle L'étape de conception, à travers la mise en place d'une architecture logicielle et la définition des modules nécessaires au fonctionnement de la solution envisagée, a permis de structurer le développement de l'application. Le fonctionnement général de la solution est représenté par le schéma de la Figure 42 qui décrit le lien entre le monde réel (l utilisateur, sa position dans l environnement, ses actions pour récupérer des connaissances sur cet environnement) et le monde virtuel (l avatar 28, la représentation 3D de l environnement, la navigation dans cette représentation, les données descriptives associées aux éléments de cette représentation). FIGURE 42: STRUCTURE LOGICIELLE GÉNÉRALE DE LA SOLUTION METTANT EN ÉVIDENCE LE LIEN ENTRE L'ENVIRONNEMENT RÉEL ET LE MONDE VIRTUEL L'utilisateur est représenté par un avatar (personnage virtuel) dans le monde virtuel représentatif de la réalité. Ce monde virtuel est articulé autour de deux composants principaux. Un premier est dédié à la navigation de l'avatar et un second est lié à la modélisation 3D du monde physique. Les capteurs de la tablette permettent de mettre en relation, en temps réel, la navigation de l'avatar et les déplacements et les mouvements de l'utilisateur. Le récepteur GPS fournit la position qui va être affectée à l'avatar, et le gyroscope et la boussole numérique donnent les informations qui vont permettre d ajuster l'orientation du point de vue de l'avatar. L utilisation de données géospatiales réelles pour la représentation 3D du monde virtuel a pour objectif d assurer la conformité de cette représentation avec la réalité. La conformité entre les 2 mondes favorisera leur mise en correspondance 28 Personnage numérique, réaliste ou fantaisiste, qui représente le joueur dans un monde virtuel. (OQLF, 2009) 56

77 et permettra à l'utilisateur de se repérer facilement. La visualisation de l'environnement virtuel et les interactions avec celui-ci se font au moyen de l'écran tactile de la tablette. Afin de développer une solution en accord avec les caractéristiques fonctionnelles attendues (Chapitre 3.1), six plug-in ont été introduits afin d assurer une navigation fluide, interactive et intuitive dans le monde virtuel, en fonction du déplacement de l'utilisateur dans la réalité. Les résultats des évaluations techniques de l'ipad2 (cf. paragraphe 3.2) ont contribué à la détermination de certains des plug-in (1 à 4) requis en venant palier les faiblesses détectées relatives aux capteurs de position et d orientation de la tablette. Plug-in 1: ce plug-in a été défini afin que l'avatar ait un déplacement fluide dans la scène 3D; il consiste en l'interpolation linéaire de deux mesures successives du GPS. Les données en entrée sont les coordonnées GPS de l'utilisateur. A chaque mise à jour de la position GPS, l'avatar effectue un déplacement progressif vers cette nouvelle position (plutôt que de s'y rendre instantanément ce qui rendrait la navigation saccadée et moins agréable). Si une nouvelle position GPS est mise à jour alors que le déplacement précédent n'est pas fini, l'avatar se dirige vers la position GPS la plus récente. Les positions GPS aberrantes (position trop éloignée de la position précédente) sont filtrées pour assurer la stabilité du positionnement. Plug-in 2: ce plug-in a été spécifié de telle sorte que le déplacement de l'avatar dans le monde virtuel suive la topographie du sol au lieu d'utiliser l'altitude fournie par le GPS de l'appareil. À chaque position GPS, l'altitude de la topographie du terrain est calculée et l'avatar est positionné à cette altitude. Plug-in 3: ce plug-in a été spécifié pour contrôler le point de vue de l'avatar (c'est à dire l'orientation) afin qu'il soit le même que celui de l'utilisateur. Dans un premier temps, l'orientation de l'avatar est initialisée grâce à la boussole numérique. Cette première mesure sert de référence initiale. Puis le point de vue est mis à jour sur la base des données du gyroscope. En effet, le gyroscope possède une fréquence de mise à jour des données plus élevée que celle de la boussole. Plug-in 4: ce plug-in a été spécifié pour fournir à l'utilisateur des fonctionnalités supplémentaires de navigation manuelle. Elle se compose principalement de gestes tactiles sur l'interface, comme le recalage manuel du point de vue de l'avatar. Ce plug-in est complémentaire au module 3 car lorsque l'utilisateur active le mode manuel, il peut ajuster l'orientation comme il le souhaite. Plug-in 5: ce plug-in a été défini afin de fournir à l'utilisateur une mini-carte en 2D; cette carte est complémentaire à la vue 3D, elle donne une vue d'ensemble de la zone où se trouve l'utilisateur et montre aussi la direction d'observation de l'utilisateur. Il s'agit en fait d'une vue orthographique. Il est intéressant de 57

78 noter qu'il est possible d'afficher certaines information uniquement dans l'une des 2 vues (comme le cône de vison par exemple que l'on peut voir sur la Figure 66 (Image 1c)). Plug-in 6: ce plug-in a été spécifié pour permettre à l'utilisateur diverses interactions avec l'environnement virtuel. Par exemple, l'utilisateur peut modifier la transparence d'éléments spécifiques dans le paysage virtuel; selon cette visualisation transparente, les infrastructures souterraines peuvent être rendues visibles. L'ensemble des composants de la solution ainsi que les échanges de données ou d informations entre ceux-ci sont schématisés dans la Figure 43. FIGURE 43: SCHÉMA DESCRIPTIF DE L'ORGANISATION DES COMPOSANTS DE LA SOLUTION AINSI QUE DES PLUG-IN DÉVELOPPÉS 58

79 Dans ce schéma, on retrouve les composants correspondant au monde réel (bloc violet) et les composants correspondant au monde virtuel (blocs bleu et orange). Le terrain (représenté à partir d un modèle numérique de terrain) est l'élément central de l'environnement virtuel, sur lequel sont positionnés les bâtiments, les infrastructures souterraines et l'environnement (mobilier urbain). L'avatar qui représente l'utilisateur se déplace dans cette scène 3D. Une caméra ainsi qu'une mini-carte 2D sont associées aux déplacements de l'avatar. Cette caméra correspond au point de vue de l avatar sur le monde virtuel et donc ce qui va être affiché à l'écran. Les déplacements de l'avatar sont régis par les capteurs de position de l'ipad2 (GPS, gyroscope, compas). L'écran tactile permet d'assurer la visualisation et l'interaction entre l'utilisateur et la scène 3D. Les 6 plug-ins définis assurent les fonctions de navigation et d'interaction nécessaires au fonctionnement de l'application. 3.4 Développement de la solution Technologies utilisées Tout d'abord la tablette tactile que nous avons utilisé est l'ipad2 pour les raisons énoncées dans les paragraphes précédents (partie 1.6). Pour l environnement de développement du modèle virtuel, notre choix s est porté sur la catégorie des moteurs de jeux vidéo compte tenu des performances graphiques évoluées qu ils offrent comparativement à des outils CAD ou SIG plus traditionnels. En effet, ils gèrent mieux les environnements 3D étendus, l affichage est plus fluide, ils offrent des fonctionnalités de navigation au sein des environnements et plusieurs fonctionnalités de gestion de la physique des interactions entre éléments de la représentation 3D [FRIESE 2008]. Lorsque Clark Abt introduit en 1970 le terme "Jeux Sérieux" (Serious Games), il avance l'idée selon laquelle les jeux peuvent être utilisés au-delà de leur objectif initial de divertissement. «We are concerned with serious games in the sense that these games have an explicit and carefully thought-out educational purpose and are not intended to be played primarily for amusement.» [ABT 1970]. Le jeu peut être associé avec la résolution d'un problème grâce à la simulation des événements ou des pratiques du monde réel [ZYDA 2005]. Il y a une exploitation croissante des moteurs de jeux (Unity, Real Engine, etc) pour des applications professionnelles basées sur les mécaniques de jeux vidéo (éducation, santé, politiques publiques, gestion du territoire, etc). Le développement d'applications faisant appel à de hautes performances graphiques est rendu plus accessible ces dernières années grâce à l'intuitivité des récents moteurs de jeu. Les jeux vidéo deviennent suffisamment réels pour les utiliser comme une bonne représentation virtuelle du monde réel [PETRIDIS 2012]. Parmi les moteurs de jeu disponibles sur le marché, le logiciel libre d'utilisation Unity 3D 29 nous a semblé être un choix judicieux de par ses performances (gestion des formats d'import, multiplateforme, optimisation du rendu,

80 éditeur de scène intégré). C'est d'ailleurs ce logiciel qui a été utilisé pour les travaux de recherche sur la simulation située qui ont inspiré cette solution [LIESTOL 2009]. De plus, il permet de déployer l'application réalisée sur les plateformes mobiles iphone, ipad, Android, ce qui était essentiel pour mener à bien ce projet. Enfin, plusieurs acteurs important du domaine de la réalité augmentée utilisent ce logiciel (Metaio, Qualcomm) ce qui a pour effet de développer une importante communauté d'utilisateurs, et donc de forums sur lesquels il est possible d'obtenir de l'aide ou des conseils pour le développement. Enfin, la représentation virtuelle de l'environnement en 3D a été réalisée à partir de données géospatiales réelles (la conformité entre les 2 mondes favorise leur mise en correspondance et limite les ambiguïtés). Celles-ci consistaient en des données 2D et 3D, sous différents formats (AutoCAD, MicroStation, PDF). Les logiciels FME 30 (permet de convertir plus de 300 formats différents) et MeshLab 31 (logiciel open source d'édition et de traitement de maillage 3D) ont été choisis pour convertir et adapter les modèles disponibles pour qu'ils soient pleinement exploitables dans le moteur de jeu Unity 3D. Le logiciels Blender (libre d'utilisation et "Open Source" ce qui est assez rare dans le domaine de la modélisation 3D) a été choisi pour effectuer les traitements appliqués aux objets 3D impliqués dans la solution. Ces produits ont été choisis car ils répondaient à nos besoins, mais d'autres logiciels sont également disponibles Création de l'environnement virtuel La création de l'environnement virtuel intervenant dans la solution proposée a été effectuée en procédant à l'intégration des différents jeux de données disponibles. Cela a permis la réalisation d'un environnement très détaillé, géoréférencé, et basé sur des données réelles. Il a néanmoins été nécessaire d'effectuer des transformations pour réduire le volume de données afin d'être adapté aux capacités du support mobile (mémoire vive, stockage, puissance de calcul) La topographie Pour représenter le relief du campus, nous avons utilisé des données géospatiales au format DWG (AutoCAD) fournies par la ville de Québec et provenant de sa maquette 3D (Figure 44). Ces données se composent d'un MNT (modèle numérique de terrain), des routes et des bâtiments principaux avec un faible niveau de détails

81 . FIGURE 44: MODÈLE 3D DU CAMPUS DE L'UNIVERSITÉ LAVAL EXTRAIT DE LA MAQUETTE 3D DE LA VILLE DE QUÉBEC Dans le contexte d'excavation proposé, la topographie est une préoccupation importante afin de localiser correctement les infrastructures souterraines. La plupart des projets de simulation située réalisés à l'heure actuelle se concentrent sur un bâtiment ou repère en particulier et le relief environnant n'est pas modélisé (ex: bateau Viking d'osberg, le Parthénon, le temple de Jules César) [LIESTOL 2011]. Celui-ci est souvent remplacé par un terrain plat. Dans notre cas, le MNT géoréférencé fourni par la ville de Québec a permis d'aller plus loin dans l'approche de la simulation située. Le modèle brut comporte plus de polygones et offre ainsi une représentation détaillée du relief du campus (Figure 45). Néanmoins, un tel volume de données est trop important pour la carte graphique de l'ipad2. Pour fonctionner correctement, l'utilisation de modèles avec polygones ou moins est suggérée. FIGURE 45: MNT DU CAMPUS DE L'UNIVERSITÉ LAVAL VISUALISÉ DANS AUTOCAD 61

82 Pour que le modèle soit utilisable, des traitements (la fonction Decimate Modifier 32 de Blender permet de diminuer le nombre de polygones en conservant au mieux le relief) ont été appliqués afin de transformer le MNT en un modèle 3D impliquant près de polygones. De plus, la surface de terrain a été éditée afin de détecter et corriger les erreurs topologiques entre les polygones (ex: chevauchement de triangle) et de remplir les trous existants. La surface a été lissée pour que les déplacements dans le monde virtuel soient fluides. Cette transformation du MNT original a été réalisée à l'aide du logiciel Blender. Finalement, le modèle a été converti au format FBX, afin d'être intégré dans Unity 3D (Figure 46). FIGURE 46: VISUALISATION DU MNT DANS UNITY 3D FAISANT APPARAITRE LE MAILLAGE TRIANGULAIRE DU TERRAIN (TIN) Les bâtiments Le second défi lors de l'intégration des données géospatiales du monde réel dans le moteur de jeu concerne les bâtiments. Les modèles 3D des bâtiments du campus que nous avons utilisés sont très détaillés (Figure 47). Ils ont été modélisés de façon semi-automatique à partir de données LiDAR terrestre mobile [ALWA 2011]. FIGURE 47: EXEMPLE DE BATIMENT HAUTE DÉFINITION OBTENU À PARTIR DE DONNÉES LIDAR TERRESTRE MOBILE: PAVILLON ABITIBI-PRICE

83 Ces modèles nous ont également permis d'évaluer les capacités en termes de rendu graphique d'un support tel que l'ipad2. A la suite des premiers tests, il est apparu rapidement que ces modèles devaient être simplifiés puisque les ressources graphiques de l'ipad ne permettaient pas un fonctionnement correct. En effet, tout déplacement dans le monde virtuel déclenche de nombreuses opérations de calcul de rendu graphique consistant à redessiner la géométrie du bâtiment et sa texture. En plus de la contrainte relative au nombre de polygones, le nombre d'objets dessinés dans la scène ("draw calls") est limité sur l'ipad2. Un tel appareil mobile peut tolérer jusqu'à 150 opérations de dessin en temps réel alors que les modèles 3D des bâtiments sont composés de plus de 1000 objets pour certains (à cause des nombreux détails). Les modèles 3D ont donc été simplifiés en fusionnant certains groupes d'objets (fenêtre, marche d'escalier) et en supprimant les redondances (parfois présentes aux intersections entre 2 faces du modèle) afin de diminuer au maximum le nombre d'opérations de dessin. Il est possible de convertir chaque bâtiment en un unique objet comme illustré dans la Figure 48. Néanmoins, dans le contexte de ce projet, il s avère important de conserver certaines entités distinctes telles que les fenêtres, les toits, les portes pour pouvoir éventuellement y associer des interactions. FIGURE 48: CRÉATION D'UNE SCÈNE 3D DANS UNITY 3D À PARTIR DE BÂTIMENTS COMPOSÉS D'UNE SEULE ENTITÉ Ainsi, après simplification, les modèles 3D reconstruits en un ensemble de objets permettent une visualisation fluide de l'environnement. La construction de modèles 3D est généralement constituée de deux composantes principales: la géométrie et la texture. La texture d'un bâtiment peut également varier dans sa complexité. Il est possible par exemple d'attribuer simplement des couleurs à chaque surface du bâtiment ou bien de s'orienter vers une représentation photo-réaliste (photos appliquées sur le modèle). Appliquer des textures photo réalistes peut être une tâche laborieuse lorsque l'on travaille avec des modèles de bâtiments complexes qui présentent des formes 63

84 géométriques spécifiques. C'est le cas des bâtiments du campus. C'est pourquoi nous avons admis que l'attribut de couleur était suffisant dans le cadre de cette étude (Figure 49). a) b) FIGURE 49: LES IMAGES a) ET b) REPRÉSENTENT DES PARTIES DU CAMPUS AVEC LES BÂTIMENTS SIMPLIFIÉS ET TEXTURÉ POUR UN RENDU RÉALISTE PERMETTANT UNE NAVIGATION FLUIDE DANS L'ENVIRONNEMENT VIRTUEL Le mobilier urbain et la végétation En plus de la mise en place des bâtiments principaux, du mobilier urbain (arbres, voitures, abris bus, lampadaires, bouches d'incendie et d'égout) a été inclus dans l'environnement virtuel (Figure 50) afin de renforcer le lien entre monde virtuel et monde réel. Les modèles utilisés (format OBJ ou 3DS) proviennent des différentes bases de données de modèles 3D disponibles sur internet (TurboSquid 33, The Free 3D Model 34 ). Ils ne sont pas géoréférencés mais ont été positionnés le plus fidèlement possible en se basant sur Google Earth. Le fait de créer un tel contexte va permettre une forte immersion de l'utilisateur et donc une meilleure compréhension de l'espace [REGENBRECHT 2002]

85 FIGURE 50: VUE D'ENSEMBLE DU CAMPUS AVEC L'AJOUT DE MOBILIER URBAIN ET DE VÉGÉTATION Intégration des données d'infrastructures souterraines La dernière étape de création de la scène virtuelle de notre solution concerne les infrastructures souterraines. Alors que beaucoup d'attention a été accordée ces dernières années à la modélisation 3D des éléments hors-sol (Google Earth, Google StreetView, CityGML), moins de travail a été investi dans la représentation 3D des infrastructures souterraines. En effet, la plupart des plans actuellement utilisés par les ingénieurs civils et les professionnels s'occupant des services publics souterrains sont toujours des représentations 2D, parfois même sous forme papier plutôt que numérique. A titre d exemple, les figures suivantes présentent les plans 2D des infrastructures souterraines fournis par le Service des immeubles de l'université Laval dans le cadre de ce projet (Figure 51, Figure 52 et Figure 53). 65

86 FIGURE 51: REPRÉSENTATION PLAN DU RÉSEAU D'AQUEDUCS EN SOUS-SOL DU CAMPUS DE L'UNIVERSITÉ LAVAL : AUCUNE INFORMATION DE PROFONDEUR N Y FIGURE MAIS LE DIAMÈTRE DES CANALISATIONS EST INDIQUÉ EN MARGE FIGURE 52: PLAN INDIQUANT L'EMPLACEMENT DES LAMPADAIRES DU CAMPUS ET LEURS NUMÉROS D'IDENTIFICATION ASSOCIÉS 66

87 FIGURE 53: PLAN INDIQUANT L'EMPLACEMENT DES LAMPADAIRES DU CAMPUS ET LES LIGNES ÉLECTRIQUES LES RELIANT ENTRES EUX. LES NUMÉROS D'IDENTIFICATION ASSOCIÉS NE SONT PAS PRÉSENTS SUR CE PLAN On note une grande diversité dans les sources de données, et ce, au sein d'un même service et à l'échelle d'un campus. Cet aspect va être développé plus en détails dans la discussion du Chapitre 4, mais cela a constitué un frein au développement de l'application souhaitée. Dans le cadre de la solution de simulation située proposée, le manque de modèles 3D d'infrastructures souterraines a contraint à concevoir une approche pour modéliser les représentations 3D à partir des informations disponibles. La méthode semi-automatique que nous avons conçue a consisté à modéliser en 3D les canalisations de gaz, d'eau et d'électricité ainsi que les tunnels piétons en se basant sur les plans géoréférencés à notre disposition. A partir des plans 2D, des modèles 3D ont été générés dans le logiciel Blender, en associant un diamètre aux lignes caractéristiques des canalisations, puis une profondeur a été fixée afin de positionner les infrastructures sous le sol de l'environnement 3D. La Figure 54 illustre la démarche de modélisation des infrastructures souterraines que nous avons adoptée. 67

88 FIGURE 54: ÉTAPES DE MODÉLISATION DES CANALISATIONS EN 3D ET D'INTÉGRATION DES DONNÉES DANS L'ENVIRONNEMENT Les diamètres des canalisations ont pu être récupérés à partir des plans CAD, où ils sont généralement spécifiés en marge. La profondeur des canalisations n'étant pas une donnée figurant sur les plans fournis, nous avons choisi de positionner les canalisations à des profondeurs que nous avons nous même définies. Toutefois, cette information est généralement disponible dans les fichiers CAO 35 ou dans des métadonnées. Elles peuvent être obtenues via l'utilisation de radar à pénétration de sol (RPS) [HUDSON 2009]. 3.5 Synthèse du chapitre Ce chapitre a présenté les étapes de spécification, de conception et de développement de la solution de simulation située réalisée. La spécification des caractéristiques fonctionnelles attendues, basée sur la revue de littérature et l'étude de la pratique (partie 3.1) correspond à la première étape du projet défini dans le chapitre 1 (partie 1.4.2). Ce chapitre revient également sur les choix technologiques qui ont été faits pour ce projet. En ce qui concerne le support mobile en particulier, la tablette tactile ipad2 a été évaluée techniquement (partie 3.2) pour identifier ses forces et faiblesses. Le choix et la validation de cette tablette tactile au travers de l'évaluation technique mise en place correspond à l'étape 2 (partie 1.4.2). Ces deux étapes ont été effectuée en partie en parallèle et ont permis de compléter les sous-objectifs 1 et 2 (partie 1.3). 35 Conception Assistée par Ordinateur 68

89 La troisième étape de la méthode de recherche concernait la conception et le développement d'un prototype d'application de simulation située. La mise en place de l'architecture logicielle (conception) a été détaillée dans la partie 3.3 de ce chapitre. Elle permet de mieux comprendre les mécanismes associés à une application de simulation située, et notamment ce lien que l'on a mis en place entre le monde virtuel (l'environnement 3D créé) et la réalité (via les données collectées par les capteurs). Lors de la phase de conception, nous avons également définit six modules à développer afin d'assurer une navigation fluide, interactive et intuitive dans le monde virtuel. Le développement du prototype a été réalisé principalement avec le moteur de jeu Unity 3D, dans lequel un environnement virtuel a été construit à partir des différentes données dont nous disposions (bâtiments, topographie, éléments de l'environnement, canalisations). Les modules définis lors de la phase de conception ont été implémentés et intégrés à la solution. Le développement du prototype réalisé de manière itérative a permis d'aboutir à une version suffisamment avancée du prototype pour que l'on effectue des tests de performance. Le chapitre 4 va présenter les tests effectués afin de vérifier que la solution répond aux fonctionnalités définies dans la problématique, mais également d'apporter une confirmation de l'intérêt d'une telle solution pour la visualisation d'infrastructures souterraines. Pour finir, le prochain chapitre va revenir, au travers d'une discussion, sur certains aspects liés à l'utilisation de la simulation située pour la gestion des infrastructures souterraines. 69

90 Chapitre 4 Résultats et discussion Ce chapitre porte sur la présentation des résultats obtenus lors des tests qui ont été réalisés sur le prototype développé ainsi que sur leur analyse. Auparavant, nous allons décrire le fonctionnement du prototype pour que le lecteur puisse comprendre le type d'expérience proposée à l'utilisateur. La partie expérimentale décrite dans ce chapitre a eu pour objectif de valider le prototype développé et de s assurer de sa conformité vis-à-vis des caractéristiques attendues. De plus, afin de valider le caractère intuitif et ergonomique du prototype, nous avons travaillé en collaboration avec la Faculté des Sciences de l'éducation de l Université Laval afin de développer une déclinaison ludique du prototype, intitulée "Laval Virtuel". Celle-ci propose aux nouveaux étudiants étrangers une expérience de visite du campus in situ interactive. Le chapitre 4 inclut également une discussion articulée autour des enjeux et défis qui ont été soulevés tout au long de la réalisation de ce projet. 4.1 Fonctionnement général du prototype Le prototype développé est une application de simulation située déployée sur la plateforme mobile ipad2. Son architecture ainsi que ses principaux composants logiciels ont été détaillés dans le chapitre 3. D un point de vue mise en œuvre, les fonctionnalités de l application sont opérées à partir d un menu d'interface tactile (Figure 55). Elles permettent d activer différents modes de navigation dans l environnement virtuel, différents modes de visualisation d éléments présents dans cet environnement et d obtenir des informations sur le monde virtuel ou la localisation de l utilisateur. FIGURE 55: MENU D'INTERFACE TACTILE DU PROTOTYPE. LES FONCTIONNALITÉS ASSOCIÉES AUX ICONES PERMETTENT: a) D ACTIVER LE MODE NAVIGATION AUTOMATIQUE (GPS ACTIF), b) D ACTIVER LE MODE NAVIGATION MANUEL (GPS INACTIF), c) D ACTIVER LA VISUALISATION DU SOUS-SOL, d) D ACTIVER LA VISION AU TRAVERS DES BATIMENTS, e) D OBTENIR DES INFORMATIONS SUR UN ÉLÉMENT DE L'ENVIRONNEMENT, f) D AFFICHER DES INFORMATIONS DE LOCALISATION (LATITUDE, LONGITUDE, ORIENTATION) 70

91 Lorsque le mode navigation automatique est activé (Figure 55a), les déplacements sont effectués en fonction de la position GPS de l'utilisateur, et l'orientation est contrôlée par le gyroscope et le compas numérique. Lorsque le mode de navigation manuel est activé (Figure 55b), la position dans le monde virtuel est fixe (il s'agit de la dernière position GPS mesurée) et l'utilisateur peut naviguer à 360 autour de cette position en déplaçant latéralement son doigt sur l'écran tactile. Lorsque l'on active la visualisation du sous-sol (Figure 55c), le sol devient semi-transparent et on peut ainsi observer les canalisations présentes. Les fonctions de transparence des bâtiments (Figure 55d) et d'accès aux informations (Figure 55e) ont été développées mais seulement quelques informations sont disponibles à titre d'exemple (Figure 56). a) b) FIGURE 56: LA FONCTION DE VISION À TRAVERS LES BÂTIMENTS (a), PERMET D'OBSERVER LE RACCORD DES CANALISATIONS À UN BÂTIMENT. LA FONCTION D'ACCÈS À L'INFORMATION PERMET D'OBTENIR DES INFORMATIONS SUR UN ÉLÉMENT D'INTÉRÊT COMME UN LAMPADAIRE PAR EXEMPLE (b). Le fonctionnement général de l'application va être présenté à l aide d'un scénario d'utilisation qui illustre le mode de navigation automatique et interactif proposé à l'utilisateur. Dans ce scénario, l'utilisateur ouvre l'application, puis se déplace jusqu'à une borne fontaine. Il visualise alors la canalisation reliée à celle-ci. Les figures suivantes (Figure 57 à Figure 65) illustrent chacune des étapes qui interviennent dans la réalisation de ces actions. Pour chacune de ces étapes, l illustration a) est une photo prise avec un appareil photo compact placé à hauteur des yeux représentative de la position et du point de vue qu à l utilisateur dans le monde réel; l illustration b) est une capture d'écran de la position et du point de vue de l avatar dans le monde virtuel tel qu affichés sur l écran de l'ipad2; l illustration c) est un agrandissement de la mini-carte afin de mieux comprendre les déplacements effectués par l'utilisateur dans ce scénario. Sur la mini-carte, le point rouge indique la position de l'avatar et le cône de visualisation bleu illustre son champ de vue dans le monde virtuel. 71

92 a) b) c) FIGURE 57: L'UTILISATEUR DÉMARRE L'APPLICATION, ET AUTOMATIQUEMENT LE MONDE VIRTUEL EST AFFICHÉ À L'ÉCRAN SELON UN POINT DE VUE CORRESPONDANT À SA POSITION ET SON ORIENTATION DANS LA RÉALITÉ a) b) c) FIGURE 58: L'UTILISATEUR EFFECTUE UNE ROTATION SUR LUI-MÊME DE 180 DEGRÉS, IL VISUALISE DONC LE BÂTIMENT QUI SE TROUVAIT DERRIÈRE LUI. a) b) c) FIGURE 59: L'OBSERVATEUR TOURNE À 90, C'EST À DIRE IL OBSERVE CE QUI SE TROUVE À SA DROITE PAR RAPPORT À LA FIGURE PRÉCÉDENTE. a) b) c) FIGURE 60: L'OBSERVATEUR SE DÉPLACE LE LONG DU TROTTOIR (DANS LA DIRECTION INDIQUÉE PAR LE CÔNE BLEU) 72

93 a) b) c) FIGURE 61: L'OBSERVATEUR TOURNE SUR SA GAUCHE POUR SE RAPPROCHER DE LA BORNE FONTAINE. a) b) c) FIGURE 62: L'UTILISATEUR SE DÉPLACE EN DIRECTION DE LA BORNE FONTAINE EN SUIVANT LE TROTTOIR a) b) c) FIGURE 63: L'UTILISATEUR ARRIVE DEVANT LA BORNE FONTAINE. IL PEUT SÉLECTIONNER LE MODE MANUEL (ICONE EN FORME D'ŒIL) POUR AJUSTER SON POINT DE VUE COMME IL LE SOUHAITE. a) b) c) FIGURE 64: EN TOUCHANT LE 3ÈME ICONE DU MENU, LE SOL DEVIENT TRANSPARENT AFIN DE VISUALISER LA CANALISATION CONNECTÉE À LA BORNE. 73

94 a) b) c) FIGURE 65: EN ACTIVANT DE NOUVEAU LE MODE AUTOMATIQUE, IL PEUT SE DÉPLACER AUTOUR DE LA BORNE FONTAINE POUR OBTENIR UN POINT DE VUE DIFFÉRENT La prochaine section présente les expérimentations qui ont été effectuées afin de vérifier la conformité de la solution proposée par rapport aux caractéristiques fonctionnelles attendues. La validation du prototype a notamment été réalisée à l aide de tests utilisateurs menés auprès de professionnels de la maintenance d'infrastructures souterraines. Quant à elles, l ergonomie et l intuitivité du prototype ont été vérifiées au moyen du projet connexe «Laval Virtuel» réalisé en collaboration avec la Faculté des Sciences de l'éducation de l'université Laval. 4.2 Validation de la conformité du prototype vis-à-vis des caractéristiques attendues Validation de la robustesse du prototype et de la navigation dans le monde virtuel La proximité du site d'étude nous a permis de multiplier les tests sur le terrain et ainsi de vérifier la robustesse de l'application et la conformité de la navigation automatique dans l'environnement virtuel vis-à-vis des déplacements de l'utilisateur (Figure 66). Le but principal de ces tests était de valider notre prototype technologique afin qu'il soit suffisamment convaincant pour intéresser les utilisateurs concernés (professionnels de l'excavation). Il est difficile de valider quantitativement une telle application à cause du caractère très subjectif de critères tels que la perception de l'utilisateur ou l'ergonomie. Pour valider ce que l'on peut qualifier de preuve de concept, nous nous sommes donc appuyés sur notre expérience et notre jugement lors de ces phases de tests. 74

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