TABLE DES MATIÈRES. I Introduction générale 1

TABLE DES MATIÈRES I Introduction générale 1 1 Introduction à la réalité virtuelle 3 1.1 Fondement de la réalité virtuelle...................... 3 1.1.1 Introduction................................ 3 1.1.2 Définitions de la réalité virtuelle..................... 5 1.2 Modèle de référence pour l immersion et l interaction.......... 10 1.2.1 L approche «instrumentale» pour l immersion et l interaction......................... 10 1.2.2 Le modèle de référence en RV...................... 12 1.3 Structuration du traité de la réalité virtuelle................ 13 1.3.1 L interfaçage, l immersion et l interaction................ 15 1.3.2 Les outils et les modèles informatiques des environnements virtuels.................. 15 1.3.3 Les applications de la réalité virtuelle.................. 16 1.4 Présentation du contenu du volume «l Homme et l environnement virtuel»................ 16 1.4.1 Objectif du volume............................ 16 1.4.2 Partie 1 : L Homme et son environnement................ 17 1.4.3 Partie 2 : Percevoir le monde....................... 18 1.4.4 Partie 3 : L Homme en mouvement................... 19 1.4.5 Partie 4 : Interagir avec les objets et le monde.............. 19 1.4.6 Partie 5 : L Homme dans un monde virtuel............... 20

xviii Le traité de la réalité virtuelle 1.4.7 Partie 6 : Les usages de la RV comme outil en Sciences de la Vie.... 21 1.5 Références bibliographiques........................ 21 II L homme et son environnement 23 2 L environnement naturel de l Homme 25 2.1 Introduction................................ 25 2.2 L être humain, son environnement naturel................. 25 2.3 Les facteurs humains et le facteur humain................. 29 2.3.1 Définitions................................ 29 2.3.2 Démarche systémique.......................... 29 2.3.3 L homme en action............................ 29 2.3.4 Facteurs influents............................ 34 2.4 Conclusion................................. 38 2.5 Références bibliographiques........................ 38 3 Les sens de l homme 39 3.1 Introduction................................ 39 3.2 La vision.................................. 41 3.2.1 Le système visuel humain........................ 42 3.2.2 Traitement de l information dans le système visuel........... 47 3.2.3 La perception visuelle de la profondeur................. 52 3.2.4 Les caractéristiques psychophysiques de la vision............ 59 3.3 L ouïe................................... 66 3.3.1 Introduction................................ 66 3.3.2 Le système auditif............................ 67

Table des matières xix 3.3.3 Perception auditive............................ 69 3.3.4 Perception spatiale du son........................ 72 3.3.5 Perception et organisation de scènes sonores complexes......... 78 3.3.6 Interaction avec d autres modalités.................... 79 3.4 Sensibilité cutanée............................. 79 3.4.1 La peau.................................. 79 3.4.2 Classification des capteurs biologiques.................. 80 3.5 Les ambiances chimiques : l odorat et le goût.............. 85 3.5.1 Les odeurs................................ 86 3.5.2 Les saveurs................................ 91 3.6 Proprioception............................... 92 3.6.1 Introduction................................ 92 3.6.2 Physique de la gravité et des accélérations................ 92 3.6.3 L appareil vestibulaire et les voies kinesthésiques............ 93 3.7 Références bibliographiques........................ 95 4 Étude et modélisation du mouvement humain 101 4.1 Considérations liminaires sur l étude biomécanique du mouvement..................... 101 4.1.1 La Biomécanique n est-elle qu une subdivision de la Mécanique?........................ 101 4.1.2 Quel cadre conceptuel?......................... 102 4.1.3 Quelles techniques biomécaniques?................... 105 4.1.4 Quelle démarche modélisatrice?..................... 106 4.1.5 Quelles hypothèses pour simplifier le réel?............... 107 4.1.6 Conclusion sur l étude de la biomécanique............... 108 4.2 Etude et modélisation du mouvement humain............... 109

xx Le traité de la réalité virtuelle 4.2.1 Introduction sur le mouvement...................... 109 4.2.2 Généralités sur l analyse d un geste................... 109 4.2.3 Modélisation biomécanique du geste................... 110 4.2.4 Exemple de résolution d un problème de Dynamique Inverse...... 111 4.2.5 Limites de la modélisation........................ 113 4.2.6 Conclusion sur la modélisation...................... 114 4.3 Références bibliographiques........................ 114 5 Ergonomie, facteurs humains et réalité virtuelle 117 5.1 Introduction................................ 117 5.1.1 Ergonomie et Facteurs-Humains : définition............... 117 5.1.2 Origine, spécificité et contributions................... 118 5.1.3 Organisation et objectif du chapitre................... 119 5.2 Critères, dimensions et méthodes pour la conception et l évaluation des environnements virtuels........................ 119 5.2.1 Critères généraux de l ergonomie applicables aux environnements virtuels.................. 119 5.2.2 Principales dimensions pour la conception des environnements virtuels.................. 123 5.2.3 Méthodes et techniques pour la conception............... 127 5.3 Quelques problématiques actuelles et perspectives............ 138 5.3.1 Rôle de l immersion sur la performance................. 138 5.4 Conclusion en forme de perspective.................... 143 5.5 Sources bibliographiques en Ergonomie et Facteurs Humains.......................... 144 5.6 Références bibliographiques........................ 144 6 Invariants et variabilité : antinomie ou complémentarité 151

Table des matières xxi 6.1 Introduction................................ 151 6.2 La recherche d invariants et l existence de la variabilité..................... 152 6.3 Variabilité et psychologie différentielle : les processus vicariants........................ 154 6.4 Variabilité intra-individuelle : relaxation, état stable et processus émergents............. 157 6.4.1 L étude de la complexité......................... 157 6.4.2 De la théorie de l information à l analyse des séries temporelles............... 158 6.4.3 Bruit blanc ou bruit coloré........................ 160 6.4.4 Exactitude et variabilité.......................... 161 6.5 La variabilité : adaptabilité et équilibre dynamique............ 163 6.6 De l antinomie à la complémentarité................... 163 6.7 Conclusion................................. 164 6.8 Références bibliographiques........................ 165 III Percevoir le monde 171 7 Théories de la perception : le monde comme mémoire externe 173 7.1 Introduction................................ 173 7.2 Brève présentation des théories classiques de la perception............................ 173 7.3 Les précurseurs des théories actives de la perception........... 174 7.4 La perception comme extraction d invariants sensori-moteurs...................... 175 7.5 Extériorité de la perception........................ 180 7.5.1 L exemple de la cécité aux changements................. 180 7.5.2 L exemple des nombreux défauts de notre système visuel........ 181

xxii Le traité de la réalité virtuelle 7.5.3 Le monde comme mémoire externe : deux analogies.......... 183 7.6 Le monde comme mémoire externe : perspectives bergsoniennes et limites................. 184 7.7 Références bibliographiques........................ 185 8 Se déplacer et naviguer dans l espace 189 8.1 Se déplacer dans l espace : processus perceptifs et cognitifs............................... 189 8.1.1 Cognition spatiale : types d espaces, modes d accès et exploration.......................... 189 8.1.2 Modalités sensorielles mises en jeu lors des déplacements....... 190 8.1.3 Principaux concepts et théories de la cognition spatiale......... 193 8.2 Recherches sur les déplacements chez le sujet humain.......... 194 8.2.1 Méthodes d étude de la cognition spatiale humaine........... 194 8.2.2 Propriétés des cartes cognitives...................... 194 8.2.3 Méthodes de navigation......................... 195 8.2.4 Différences inter-individuelles et stratégies............... 196 8.3 Apport de la réalité virtuelle dans les recherches sur les déplacements.......................... 197 8.3.1 La réalité virtuelle comme outil d étude de la cognition spatiale humaine : intérêt et limites.............. 197 8.3.2 Exemples de recherches sur la cognition spatiale utilisant la réalité virtuelle........................ 198 8.3.3 Perspectives................................ 201 8.4 Références bibliographiques........................ 204 9 Remplacer un sens par un autre : la suppléance perceptive 209 9.1 Introduction................................ 209 9.2 Les dispositifs de suppléance perceptive................. 209

Table des matières xxiii 9.2.1 Les systèmes invasifs........................... 209 9.2.2 Les systèmes non invasifs........................ 210 9.3 Résultats fondamentaux et enjeux théoriques............... 214 9.3.1 Nécessité d une action.......................... 215 9.3.2 Mise en extériorité des percepts..................... 215 9.3.3 Extériorité et spatialisation........................ 217 9.3.4 Plasticité structurelle et fonctionnelle.................. 220 9.3.5 Modalité des sensations et amodalité des perceptions.......... 221 9.3.6 Dispositifs de suppléance perceptive et expérience qualitative.................... 222 9.4 Conclusion................................. 224 9.4.1 Perspectives................................ 224 9.4.2 Conséquences sur une définition de nos modalités perceptives.................. 225 9.5 Références bibliographiques........................ 225 IV L Homme en mouvement 229 10 Le contrôle de l action 231 10.1 Introduction................................ 231 10.1.1 Le mouvement.............................. 231 10.2 Les pionniers du contrôle moteur..................... 233 10.2.1 Les débuts : Woodworth......................... 233 10.2.2 Wiener et la cybernétique......................... 234 10.2.3 Shannon et la théorie de l information.................. 234 10.2.4 Bernstein et le problème des degrés de liberté.............. 235 10.3 Les techniques d étude du contrôle moteur................ 236

xxiv Le traité de la réalité virtuelle 10.3.1 Les analyses cinématique et dynamique................. 237 10.3.2 L analyse vidéo du mouvement...................... 237 10.4 Les modèles de mouvement humain.................... 237 10.4.1 Les lois, à la base des modèles...................... 238 10.4.2 L approche cybernétique et le programme moteur............ 239 10.4.3 L approche non-prescriptive....................... 242 10.5 Perspectives et champs d application................... 246 10.5.1 Clinique.................................. 246 10.5.2 Ergonomie................................ 247 10.5.3 Cinéma, multimédia........................... 247 10.5.4 Et la parole?............................... 247 10.6 Références bibliographiques........................ 248 11 Le mouvement biologique : perception, reproduction, synthèse 251 11.1 Introduction................................ 251 11.2 La perception du mouvement biologique................. 251 11.2.1 Des points caractéristiques valent une image complexe : Johansson................ 251 11.2.2 Paolo Viviani et la théorie motrice de la perception........... 252 11.2.3 Processus local ou processus global : Maggie Shiffrar.......... 253 11.2.4 De la perception à la mémoire du mouvement biologique : l anticipation perceptive.................... 254 11.2.5 Substrat neurophysiologique....................... 254 11.3 La réalité virtuelle doit-elle tenir compte des lois du mouvement biologique?.................. 255 11.4 La réalité virtuelle permettra-t-elle de mieux comprendre la perception du mouvement biologique?........ 257 11.5 Conclusions................................ 258

Table des matières xxv 11.6 Références bibliographiques........................ 259 V Interagir avec les objets et le monde 263 12 Percevoir les objets 265 12.1 Le sens haptique manuel : introduction.................. 265 12.2 Les différentes procédures d exploration manuelle............ 266 12.3 Les relations entre propriétés spatiales et matérielles.............................. 267 12.3.1 Perception analytique ou perception globale?.............. 267 12.3.2 Interférence ou facilitation?....................... 269 12.4 La perception des principales propriétés spatiales............. 270 12.4.1 L orientation............................... 270 12.4.2 La longueur................................ 275 12.4.3 La localisation.............................. 277 12.4.4 La courbure................................ 280 12.5 La perception des propriétés matérielles des objets : la texture...... 281 12.6 Conclusions générales........................... 283 12.7 Références bibliographiques........................ 284 13 Le contrôle adaptatif ou comment acquérir et maintenir une performance291 13.1 Les altérations dues aux modifications des espaces de travail de l Homme et de l outil............................... 291 13.2 Le contrôle adaptatif............................ 292 13.3 Les premières études de l adaptation................... 292 13.4 L adaptation dans la vie courante..................... 293 13.5 Le système visuo-manuel et son adaptation................ 293

xxvi Le traité de la réalité virtuelle 13.5.1 La fonction de localisation des objets dans l espace........... 293 13.5.2 L épreuve de mesure des capacités d adaptation............. 294 13.5.3 L adaptation prismatique......................... 295 13.5.4 Le décours temporel de l adaptation, de la désadaptation et de l adaptation répétée.................... 297 13.5.5 Les effets cumulés d une succession d expositions adaptatives.................... 297 13.5.6 L adaptation à la relation qui lie les mouvements de la main et de la souris à ceux du curseur.................... 298 13.6 Le système de coordination œil-tête et son adaptation.......... 300 13.6.1 La stabilisation du regard......................... 300 13.6.2 Le réflexe vestibulo-oculaire stabilisant l œil sur la cible........ 300 13.6.3 Le RVO et le port de casque de visualisation............... 301 13.6.4 L adaptation de réflexe vestibulo-oculaire................ 301 13.6.5 L adaptation de l Opérateur à la relation qui lie ses propres mouvements à ceux d un outil........................ 302 13.6.6 L adaptation des relations visuo-motrices du virtuoréalitéopérateur.................... 304 13.7 Références bibliographiques........................ 304 VI L Homme dans un monde virtuel 307 14 Immersion et présence 309 14.1 Introduction................................ 309 14.2 Immersion................................. 311 14.2.1 Richesse Sensorielle........................... 312 14.2.2 Interactivité................................ 315 14.2.3 Facteurs structuraux de l Immersion................... 316

Table des matières xxvii 14.3 Présence.................................. 319 14.3.1 Questionnaires et mesures subjectives.................. 319 14.3.2 Mesures physiologiques......................... 321 14.3.3 Mesures comportementales........................ 323 14.4 L immersion du sujet par rapport aux environnements réel et virtuel................... 326 14.4.1 Introduction................................ 326 14.4.2 L environnement réel masqué par l environnement virtuel....... 327 14.4.3 L environnement réel partiellement exploité pour l interfaçage avec l environnement virtuel........... 328 14.4.4 L environnement réel n est pas exploité en tant que tel dans la simulation....................... 329 14.4.5 Conclusion sur le positionnement des espaces réel et virtuel.................... 329 14.5 Conclusion du chapitre........................... 331 14.6 Références bibliographiques........................ 332 15 La latence temporelle dans la boucle de réalité virtuelle 339 15.1 Introduction et posée du problème..................... 339 15.2 Définitions : délai, retard ou latence?................... 340 15.3 Comment mesurer la latence?....................... 340 15.4 Les latences sont inhérentes à la technologie............... 341 15.4.1 Latence des capteurs........................... 342 15.5 Systèmes de reconnaissance et multimodalité............... 342 15.5.1 Latence et temps de transmission de l information........... 343 15.5.2 Latence et temps de traitement...................... 343 15.5.3 Latence et interfaces sensorielles..................... 344 15.6 Effet du délai sur la boucle sensorimotrice................ 345

xxviii Le traité de la réalité virtuelle 15.7 Délai et immersion : une cause de désorientation spatiale et de simulator sickness?................... 347 15.8 Comment réduire les conséquences de la latence?............ 349 15.8.1 Déterminer les valeurs critiques de la latence.............. 349 15.8.2 Habituer l Homme aux délais...................... 349 15.8.3 Prédire le mouvement pour anticiper................... 351 15.9 Conclusions................................ 351 15.10 Références bibliographiques........................ 352 16 Éthique, droit et réalité virtuelle 357 16.1 Introduction................................ 357 16.1.1 Loi sur la protection des personnes se prêtant à des recherches biomédicales................. 357 16.1.2 Recommandations aux promoteurs et aux chercheurs.......... 358 16.1.3 Autorisation des lieux de recherches biomédicales sans bénéfice individuel direct................. 359 16.2 Ethique et droit............................... 360 16.2.1 Perspectives juridiques et éthiques selon Huriet............. 360 16.2.2 Ethique et droit en télé-médecine..................... 360 16.3 Références bibliographiques........................ 361 VII Les usages de la réalité virtuelle en sciences de la vie 363 17 Interactions entre réalité virtuelle et sciences du comportement 365 17.1 Introduction................................ 365 17.2 L apport de la réalité virtuelle aux Sciences du Comportement...................... 366 17.2.1 Recherche fondamentale......................... 366

Table des matières xxix 17.2.2 Recherche appliquée........................... 369 17.3 Apport des Sciences du Comportement à la réalité virtuelle........................... 372 17.3.1 Quels sont les bons paramètres?..................... 372 17.3.2 Le réalisme................................ 374 17.3.3 La notion de «temps réel»........................ 374 17.3.4 L immersion et la présence........................ 376 17.4 Conclusions................................ 377 17.5 Références bibliographiques........................ 378