Bimanual haptic interaction with virtual environments

par Anthony Talvas

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Anatole Lécuyer.

Soutenue le 01-12-2014

à Rennes, INSA , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes) , en partenariat avec Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes) (laboratoire) , Université européenne de Bretagne , Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (laboratoire) et de 3D interaction with virtual environments using body and mind (laboratoire) .

Le président du jury était Bruno Arnaldi.

Le jury était composé de Anatole Lécuyer, Bruno Arnaldi, François Faure, Mehdi Ammi, Géry Casiez, Paul G. Kry, Maud Marchal.

Les rapporteurs étaient François Faure, Mehdi Ammi.

  • Titre traduit

    Interaction haptique bimanuelle avec des environnements virtuels


  • Résumé

    En Réalité Virtuelle (RV), le sens haptique accroît l’immersion d’un utilisateur dans un Environnement Virtuel (EV) avec lequel il interagit en temps réel. Dans cette thèse, nous proposons des approches pour améliorer l’interaction haptique à deux mains avec des EV. Nous abordons d’abord des problèmes avec l’interaction bimanuelle dans des EV avec des interfaces à effecteur unique. Nous proposons une technique d’interaction nommée la double bulle pour l’exploration d’EV avec une combinaison de contrôle en position et en vitesse. Nous présentons aussi une technique de manipulation nommée prise magnétique qui facilite la saisie d’objets virtuels avec des proxys rigides simples. Des modes de contrôle communs sont utilisés pour améliorer la saisie et l’exploration simultanées. Une évaluation utilisateur a été réalisée pour mesurer l’efficacité de ces techniques. Nous nous intéressons ensuite au calcul de surfaces de contact. Nous proposons une technique nommée god-finger pour rendre des surfaces similaires à celles générées par des doigts à partir d’un unique point de contact. Elle est basée sur un simple parcours de la géométrie locale de l’objet en contact, et est donc moins coûteuse que des méthodes de simulation de corps souples. La méthode est adaptée pour l’interaction avec des proxys rigides simples ou plus complexes, ainsi qu’avec des objets rigides ou déformables, y compris avec des surfaces rugueuses. Une méthode de rendu visuel donne un retour à l’utilisateur sur la forme de la surface de contact. Enfin, nous abordons la résolution de contacts durant la manipulation dextre d’objets virtuels avec des doigts souples. Le calcul des mécaniques de contact est amélioré en agrégeant les multiples contraintes de contact concernées. Une méthode de distribution de pression non uniforme sur la surface de contact adapte la réponse lors d’un contact contre des arêtes pointues. Nous utilisons le modèle de frottement de Coulomb- Contensou pour simuler efficacement le frottement en torsion. L’approche est évaluée avec un modèle de main déformable pour de l’interaction en temps réel. Les travaux présentés dans ce manuscrit ouvrent de nouvelles perspectives dans le contexte de l’haptique bimanuelle et de la RV, en permettant une interaction plus naturelle avec des EV plus complexes.


  • Résumé

    In Virtual Reality (VR), the haptic sense increases the immersion of users in a Virtual Environment (VE) with which they interact in real time. In this Ph.D thesis, we propose contributions to improve two-handed interaction in haptics with VEs. We first address issues with bimanual interaction in VEs using haptic devices with single effectors. We propose an interaction technique called double bubble for exploration of VEs through a combination of position and rate control. We also present a manipulation technique called magnetic pinch which facilitates the grasping of virtual objects with simple rigid proxies. Simultaneous grasping and exploration of the VE is enhanced using common control modes. A user evaluation was conducted to assess the efficiency of these techniques. We then focus on improving the computation of contact surfaces. We propose a god-finger method to render finger padlike surfaces from a single contact point. It relies on a simple scan of the local geometry of the object in contact, and is this less costly than soft body simulation methods. The method is adapted for interaction using simple or more complex rigid virtual proxies, and with rigid or deformable objects, including rough surfaces. A visual rendering method provides feedback on the shape of the contact surface. Finally, we address the resolution of contacts during dexterous manipulation of virtual objects through soft fingers. The computation of contact mechanics is improved by aggregating the multiple contact constraints involved. A method for nonuniform pressure distribution over the contact surface adapts the response when touching sharp edges. We use the Coulomb-Contensou friction model to efficiently simulate torsional friction. The approach is evaluated with a deformable hand model for real time interaction. The contributions of this manuscript open novel perspectives in the context of bimanual haptics and VR, allowing more natural interaction with more complex VEs.


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