Approche dynamique de formation d'image et de compensation d'aberrations pour un système de réalité augmentée

par Marc Beuret

Thèse de doctorat en Signal, image et vision

Sous la direction de Joël Fontaine.

Le président du jury était Pierre Chavel.

Le jury était composé de Patrice Twardowski.

Les rapporteurs étaient Pierre Ambs.


  • Résumé

    La réalité augmentée consiste à superposer à l’environnement réel des informations virtuelles générées numériquement. Parmi les systèmes qui permettent de réaliser un tel mélange, nous nous intéressons dans ce travail aux systèmes de visualisation en réalité augmentée liés à la tête de l’utilisateur, généralement appelés HMD (Head-Mounted Display). Dans un tel système, la superposition des informations virtuelles à l’environnement réel peut être réalisée par un élément optique (optique mélangeuse) positionné devant l’oeil de l’utilisateur. La conception d’un système HMD est cependant une tâche complexe. En effet, la proximité de la tête introduit des contraintes géométriques importantes et provoque des déformations (aberrations) des images virtuelles. Généralement, ces aberrations sont minimisées de façon simultanée sur l’ensemble du champ de vision de l’utilisateur. Cette optimisation du système se fait néanmoins soit au détriment de la compacité ce qui s’avère problématique pour le confort d’utilisation du HMD, soit au détriment de la qualité de l’image au centre du champ de vision. Nous proposons dans ce travail ce qui nous semble être une nouvelle approche de conception en associant un modulateur spatial de lumière (SLM) et une optique mélangeuse diffractive statique. L’image virtuelle est créée séquentiellement point par point en modifiant l’incidence sous laquelle on éclaire l’optique mélangeuse. Le SLM permet d’adapter dynamiquement la correction des aberrations associées à chaque point virtuel. Nous avons dans un premier temps défini la fonction optique de l’optique mélangeuse diffractive et le champ de vision maximal (18° x 18°) qu’il est possible d’atteindre en respectant les contraintes géométriques d’utilisation. Nous avons pu alors montrer théoriquement que l’approche proposée permet d’atteindre une qualité d’image optimale sur l’ensemble du champ de vision. Les fonctions de correction sont réalisables avec les technologies actuelles. La validation expérimentale de ces résultats a été réalisée.

  • Titre traduit

    Dynamic approach for imaging and aberration compensation in an augmented reality display


  • Résumé

    Augmented reality (AR) supplements the real world with computer-generated objects that appear to coexist in the same space as the real world. Among the systems that achieve such a mixture, we focus in this work on augmented reality head mounted displays (HMD). In such a system, the superimposition of virtual information to the real environment can be achieved by a combiner. This combiner is an optical element positioned in front of the eye of the user. It is a complex challenge to design an HMD. They generally have off-axis configurations because of the proximity of the head of the user. The optical system therefore suffers for high geometrical aberrations as Gauss conditions are not respected. Usually, these aberrations are minimized simultaneously on the entire field of vision of the user. However, such a simultaneous approach implies either a loss of compactness or a loss of the quality of the image. We propose in this work a novel design for an augmented reality HMD. We studied an optical system associating a dynamic element (spatial light modulator) and a static diffractive combiner. The virtual image is created sequentially point by point by illuminating the diffractive combiner with different incidences. The SLM allows to adapt, in a dynamical way, the correction of the aberrations associated to each position of the virtual point. We initially defined the phase transfer function of the diffractive combiner. We showed that it is possible to reach a 18° by 18° field of view considering the geometrical constraints. Then, we proved theoretically that the proposed approach can achieve an optimal image quality over the entire field of view. We demonstrated that it is possible to realize the correction functions with current technologies. The experimental validation of the results was performed.


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