Contribution to the study of projection-based systems for industrial applications in mixed reality

par Guillaume Cortes

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Anatole Lécuyer et de Éric Marchand.

  • Titre traduit

    Contribution à l’étude des systèmes de projection pour des applications industrielles en réalité mixte


  • Résumé

    La réalité mixte apporte certains avantages aux applications industrielles. Elle peut, entre autres, faciliter la visualisation et validation de projets ou assister des opérateurs durant des tâches spécifiques. Les systèmes de projection (PBS), tels que les CAVE ou la réalité augmentée spatiale, fournissent un environnement de réalité mixte permettant une collaboration directe avec des utilisateurs externes. Dans cette thèse, nous visons à améliorer l'utilisation des systèmes de projection pour des applications industrielles en abordant deux défis majeurs: (1) améliorer les composantes techniques des PBS et (2) augmenter l'expérience utilisateur dans les PBS. En tant que premier défi technique, nous visons à améliorer les systèmes de suivi de mouvements optiques. Nous proposons une approche permettant d’élargir l’espace de travail de ces systèmes grâce à deux méthodes. La première permet de suivre les mouvements à partir d’une seule caméra tandis ce que la deuxième permet de contrôler les caméras et suivre les objets dans l’espace de travail. Le système qui en résulte fournit des performances acceptables pour des applications en réalité mixte tout en augmentant considérablement l'espace de travail. Un tel système de suivi de mouvement peut permettre de mieux exploiter le potentiel des systèmes de projection et d’élargir le champ possible des interactions. En tant que deuxième défi technique, nous concevons un casque « tout-en-un » pour la réalité augmentée spatiale mobile. Le casque rassemble à la fois un système de projection et un système de suivi de mouvements qui sont embarqués sur la tête de l'utilisateur. Avec un tel système, les utilisateurs sont capables de se déplacer autour d'objets tangibles et de les manipuler directement à la main tout en projetant du contenu virtuel par-dessus. Nous illustrons notre système avec deux cas d'utilisation industriels: le prototypage virtuel et la visualisation médicale. Enfin, nous abordons le défi qui vise à améliorer l’expérience utilisateur dans les PBS. Nous proposons une approche permettant d’incarner un personnage virtuel et d’augmenter la perception spatiale des utilisateurs dans les PBS. Pour ce faire, nous ajoutons l’ombre virtuelle des utilisateurs dans les systèmes de projection immersifs. L'ombre virtuelle est directement corrélée aux mouvements des utilisateurs afin qu'ils la perçoivent comme si c'était la leur. Nous avons effectué une expérience afin d'étudier l'influence de la présence de l'ombre virtuelle sur le comportement des utilisateurs.


  • Résumé

    Mixed reality brings some advantages to industrial applications. It can, among others, facilitate visualizing and validating projects or assist operators during specific tasks. Projection-based Systems (PBS), such as CAVEs or spatial augmented reality provide a mixed reality environment enabling straightforward collaboration with external users. In this thesis, we aim at improving the usage of PBS for industrial applications by considering two main challenges: (1) improving the technical components of PBS and (2) improving the user experience when using PBS. As a first technical challenge, we propose to address the improvement of the tracking component. We introduce an approach that enables increasing the workspace of optical tracking systems by using two methods. As a first method, we propose to use monocular tracking. As a second method, we propose to use controlled cameras that follow the targets across the workspace. The resulting system provides acceptable performances for mixed reality applications while considerably increasing the workspace. Such a tracking system can make it easier to use large projection-based displays and can widen the range of available interactions. As a second technical challenge, we design an “all-in-one” headset for mobile spatial augmented reality on tangible objects. The headset gathers both a projection and a tracking system that are embedded on the user’s head. With such a system, the users are able to move around tangible objects and to manipulate them directly by hand while projecting virtual content over them. We illustrate our system with two industrial use cases: virtual prototyping and medical visualization. Finally, we address the challenge that aims at improving the user experience when using PBS. We introduce a method that provides virtual embodiment and increases the spatial perception of the users when using PBS. To do so we add the user’s virtual shadow in immersive projection-based systems. The virtual shadow is dynamically mapped to users’ movements in order to make them perceive the shadow as if it was their own. We then carry out an experiment to study the influence of the presence of the virtual shadow on the user experience and behavior.


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