Optical and software tools for the design of a new transparent 3D display.

par Thomas Crespel

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Xavier Granier et de Patrick Reuter.

Le président du jury était Pascal Guitton.

Le jury était composé de Xavier Granier, Patrick Reuter, Adrian Travis, Andreas Georgiou.

Les rapporteurs étaient Pascal Picart, Rafal K. Mantiuk.

  • Titre traduit

    Outils optiques et logiciels pour la conception d’un nouvel écran 3D transparent.


  • Résumé

    Nous vivons une époque exaltante où de nouveaux types d'écrans sont rendus possibles, et la communauté scientifique s'emploie à améliorer l'expérience utilisateur. Nous vivons notamment l'émergence d'écrans courbés, volumétriques, autostéréoscopiques, transparents ou même portés sur la tête, avec des capteurs et algorithmes de plus en plus complexes permettant des interactions toujours plus riches.Cette thèse vise à contribuer à la création de ces nouveaux types d'afficheurs. À travers trois projets concrets, nous associons l'optique et l'informatique pour répondre à des problématiques spécifiques, avec l'objectif final de créer un nouveau type d'écran 3D. Chacun de ces projets a mené au développement de prototypes basés sur l'utilisation de picoprojecteurs laser, de caméras, d'éléments optiques et de logiciels dédiés.Dans un premier projet, nous avons étudié les écrans sphériques : ceux-ci sont plus adaptés que les écrans classiques pour visualiser des données sphériques, cependant les solutions existantes sont onéreuses et difficiles à mettre en place. Nous proposons une méthode pour concevoir un écran sphérique tactile à moindre coût en utilisant seulement des optiques commerciales et peu onéreuses ainsi que des éléments créés par impression 3D, dans le but de rendre ces écrans plus accessibles et reproductibles. Notre solution utilise un picoprojecteur laser associé à un système optique permettant de projeter une image nette sur toute la sphère. L'aspect tactile est réalisé par suivi optique de doigts dans l'infrarouge et nous avons développé un logiciel permettant de gérer l'affichage et l'interaction. Nous compensons l'utilisation de matériel peu coûteux par des calibrations et des corrections logicielles.Nous avons ensuite largement étudié la technologie des guides "wedges" (en forme de "cale"), qui sont devenus des éléments essentiels du reste de la thèse. Les guides wedges ont été initialement développés pour des systèmes de projection plats, mais dans ce projet nous les utilisons dans un contexte d'acquisition. La problématique est la suivante : dans certaines configurations, une zone d'intérêt peut être difficile à imager avec une caméra standard à cause du manque d'espace en face de celle-ci. Nous proposons d'utiliser un guide wedge et un film prismatique afin de replier la distance nécessaire. Nous avons étudié et validé différentes applications dans le domaine spécifique de l'archéologie.Les compétences que nous avons développées au cours de ces deux projets nous ont permis d'imaginer et de concevoir un nouvel écran autostéréoscopique transparent. Un tel écran peut être vu comme une vitre permettant d'ajouter au monde réel des information 3D dépendantes du point de vue, et cela sans avoir besoin de porter de lunettes ou de casques. Le principe est d'utiliser un guide wedge avec des picoprojecteurs laser générant chacun un point de vue différent. Les points de vues sont répartis en face de l'écran par un élément optique holographique que nous avons spécialement conçu. Ce nouvel écran ouvre le champ à de nombreuses applications en réalité augmentée.


  • Résumé

    We live exciting times where new types of displays are made possible, and current challenges focus on enhancing user experience. As examples, we witness the emergence of curved, volumetric, head-mounted, autostereoscopic, or transparent displays, among others, with more complex sensors and algorithms that enable sophisticated interactions.This thesis aims at contributing to the creation of such novel displays. In three concrete projects, we combine both optical and software tools to address specific applications with the ultimate goal of designing a three-dimensional display. Each of these projects led to the development of a working prototype based on the use of picoprojectors, cameras, optical elements, and custom software.In a first project, we investigated spherical displays: they are more suitable for visualizing spherical data than regular flat 2D displays, however, existing solutions are costly and difficult to build due to the requirement of tailored optics. We propose a low-cost multitouch spherical display that uses only off-the-shelf, low-cost, and 3D-printed elements to make it more accessible and reproducible. Our solution uses a focus-free projector and an optical system to cover a sphere from the inside, infrared finger tracking for multitouch interaction, and custom software to link both. We leverage the use of low-cost material by software calibrations and corrections.We then extensively studied wedge-shaped light guides, in which we see great potential and that became the center component of the rest of our work. Such light guides were initially devised for flat and compact projection-based displays but in this project we exploit them in a context of acquisition. We seek to image constrained locations that are not easily accessible with regular cameras due to the lack of space in front of the object of interest. Our idea is to fold the imaging distance into a wedge guide thanks to prismatic elements. With our prototype, we validated various applications in the archaeological field.The skills and expertise that we acquired during both projects allowed us to design a new transparent autostereoscopic display. Our solution overcomes some limitations of augmented reality displays allowing a user to see both a direct view of the real world as well as a stereoscopic and view-dependent augmentation without any wearable or tracking. The principle idea is to use a wedge light guide, a holographic optical element, and several projectors, each of them generating a different viewpoint. Our current prototype has five viewpoints, and more can be added. This new display has a wide range of potential applications in the augmented reality field.


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