Proposition of new metaphors and techniques for 3D interaction and navigation preserving immersion and facilitating collaboration between distant users

par Thi Thuong Huyen Nguyen

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Thierry Duval.

Soutenue le 20-11-2014

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 Anatole Lécuyer.

Le jury était composé de Thierry Duval, Anatole Lécuyer, Martin Hachet, Torsten Kuhlen, Bruno Arnaldi, Sabine Coquillart, Georges Dumont, Daniel Mestre.

Les rapporteurs étaient Martin Hachet, Torsten Kuhlen.

  • Titre traduit

    Proposition de nouvelles techniques d'interaction 3D et de navigation 3D préservant l'immersion de l'utilisateur et facilitant la collaboration entre utilisateurs distants


  • Résumé

    Les développements récents de la réalité virtuelle font du travail collaboratif assisté par ordinateur un outil prometteur et flexible. Il est en effet aujourd’hui possible, de représenter les données ainsi que les utilisateurs eux-mêmes de manière vivante dans les environnements virtuels collaboratifs (EVC). Les EVC se définissent comme des mondes virtuels distribués, générés par ordinateur, dans lesquels les utilisateurs peuvent se rencontrer, communiquer et interagir entre eux, mais aussi avec des données et des objets 3D. Les utilisateurs peuvent être éloignés physiquement, parler des langues différentes et utiliser des systèmes informatiques hétérogènes tout en collaborant malgré tout au sein d’un EVC. L’objectif principal des EVC est de proposer une collaboration fluide entre plusieurs utilisateurs. Ceci implique de prendre en charge un nombre considérable d’échanges, de communications et de négociations mais également de permettre des activités collaboratives. Par ailleurs, il est nécessaire de proposer des techniques d’interaction ainsi que des moyens pour bien prendre conscience de tout ce qui se passe dans l’environnement. Afin de préserver ces différents aspects dans la conception des EVC, nous nous intéressons à quatre facteurs essentiels : l’immersion, la conscience, la communication et l’intuitivité. Ces facteurs sont déterminants pour le succès des systèmes virtuels collaboratifs. En tenant compte des quatre facteurs cités cidessus, nous proposons et évaluons de nouvelles métaphores pour la navigation et la manipulation afin d’améliorer et d’enrichir les techniques d’interactions dans les EVC. Premièrement, nous proposons et évaluons un ensemble de trois métaphores de navigation pour explorer un environnement à plusieurs : indiquer un chemin en dessinant des flèches, illuminer un chemin à suivre et orienter une boussole pour montrer une direction. Ces métaphores peuvent être implémentées dynamiquement et utilisées directement dans n’importe quels environnements. Nos résultats révèlent que ces métaphores de navigation réduisent considérablement le temps passé à chercher un chemin dans des contextes d’exploration collaborative. Par ailleurs, nous avons développé une technique de manipulation directe dédiée aux environnements virtuels immersifs. Cette technique, qui utilise sept points de contrôle, affranchit l’utilisateur de plusieurs difficultés souvent rencontrées telles que le tremblement de la main ou l’effet Heisenberg lors de la manipulation d’objets 3D dans un système de projection immersive. En réduisant le nombre de degrés de liberté de l’objet manipulé à l’aide de point de contrôle, notre technique permet à l’utilisateur de contrôler partiellement l’objet, rendant ainsi la manipulation d’objets volumineux plus aisée. Enfin, nous avons implémenté et évalué deux métaphores d'interaction dans une application de conception et d'aménagement de poste de travail industriel. En tenant compte des quatre facteurs cités ci-dessus, nous avons implémenté une application de conception de poste de travail pour trois principaux types d'utilisateurs : un utilisateur final, un ingénieur et un expert en ergonomie. Afin d'avoir un niveau d'immersion optimal et des interactions naturelles entre des utilisateurs, nous avons implémenté une configuration de système asymétrique pour chaque utilisateur. Chacun pouvait utiliser quelque métaphores de communication implicites qui étaient simples, naturelles, et pertinentes dans notre contexte collaborative.


  • Résumé

    Recent progress of the virtual reality technology gives the computer supported collaborative work a potential and flexible tool of vividly representing data as well as users themselves in collaborative virtual environments. Collaborative virtual environments have been defined as computer-based, distributed virtual worlds in which people can meet, communicate and interact with others, with data and 3D objects. People may be geometrically far from each other, speak different languages and use heterogeneous computer systems. The ultimate goal in developing collaborative virtual environments is to support a smooth collaboration between multiple users which involves considerable communication and negotiation, cooperative and collaborative activities, interaction techniques, and awareness process. Considering these aspects into the design of a collaborative virtual environment, we are interested in four main factors, including immersion, awareness, communication and naturalness. These factors greatly determine the success of a collaborative virtual system. From the need of improving and completing interaction techniques in CVEs considering the four preceding factors, in this research we propose and evaluate new metaphors for 3D navigation and manipulation techniques. The first contribution of this research is to propose and evaluate a set of three navigation metaphors in a collaborative exploration context, including drawing directional arrows, lighting up path to follow, and orientating a compass to show a direction. These navigation metaphors can be dynamically implemented and used without constraints in any 3D virtual environments. The empirical result of our experiment revealed that these navigation metaphors considerably reduced wasted time in a wayfinding task of a collaborative exploring scenario. We have developed, in the second part of this research, a direct manipulation technique in immersive virtual environments. This manipulation technique deals with some difficulties the user often encounters such as hand jitter or Heisenberg effects while manipulating 3D objects in immersive projection systems. By dividing the number of degrees of freedom of the manipulated object into each handle of our tool, our technique enables a user to partially control the object, making the manipulation of large objects easier in immersive virtual environments. The last contribution of this research is the implementation and evaluation of two interaction metaphors in a digital mock-up application. Taking into account the four factors including immersion, awareness, communication and naturalness, we have built a workstation design application for three main users: an end-user, a design engineer and an ergonomics expert. In order to have an optimal immersion for the whole application and natural interaction between them, we have implemented an asymmetric system setup at each user's site. Each user could use some implicit communication metaphors which were simple, natural and still relevant in our collaborative context.


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  • Détails : 1 vol. (133 p.)
  • Annexes : Bibliographie p. 115-130

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