Définition d’ un Modèle d’ Interaction pour une Interface ...web.imt- ?· trois dimensions pour…

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    16-Sep-2018

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  • Dfinition dun Modle dInteraction pour une Interfacede Travail tridimensionnelle partir dExprimentations

    Cdric DumasLIFL

    btiment M3cit scientifique

    59 655 Villeneuve dAscqcedex, France

    dumas@lifl.fr

    Patricia PlnacosteCUEEP

    Btiment B6cit scientifique

    59 655 Villeneuve dAscqcedex, France

    Patricia.Plenacoste@univ-lille1.fr

    Christophe ChaillouLIFL

    Btiment M3cit scientifique

    59 655 Villeneuve dAscqcedex, France

    chaillou@lifl.fr

    RESUMENous avons labor un nouvel espace de travail virtuel,qui utilise une reprsentation 3D. Il intgre facilementdes documents 3D ou 2D. Linteraction se doit dtresuffisamment gnrique pour que les participants larunion puissent manipuler nimporte lequel de cesdocuments. A partir des possibilits de la synthsedimages temps rel, des aptitudes des utilisateurs agiren trois dimensions dans un environnement virtuel etdexprimentations, nous avons dfini un modledinteraction conjointement lorganisation spatiale delespace de travail. Ces exprimentions, au nombre detrois, ont t conduites pour llaboration de notremodle. La premire tudie la structuration du champvisuel et la performance motrice. Les rsultats montrentque le contexte visuel influence la performance motrice.La seconde tudie les indices perceptifs pertinentspermettant le guidage en fonction du type dupriphrique utilis. Les rsultats indiquent unesupriorit du priphrique isotonique et la pertinencede l'ombre pour guider l'action. La dernire se centre surl'influence de la forme de l'ombre pour la russite del'action. Les rsultats obtenus suggrent que la formeagit comme une affordance d'action.Notre environnement est donc constitu dun ensemblede rgles, qui limitent la navigation. Laccent a t missur linteraction, base sur la manipulation directe deux mains, lutilisation de deux priphriques 3D(isotonique et isomtrique), de mtaphores simples,dindices perceptifs significatifs, en cherchant tre leplus intuitif possible.

    MOTS CLES : interface 3D, interaction 3D, interactionmutimodale, valuation, contexte visuel, affordanced'action.

    INTRODUCTIONNous travaillons sur la dfinition dun modledinterface 3D (SpIn) pour le travail coopratifsynchrone assist par ordinateur (Figure 1). Il permet decrer des runions virtuelles, o plusieurs utilisateurs

    distants sont connects ensemble, chacun devant samachine, en partageant un ensemble de documents. Ladfinition de ce nouvel espace de travail sest faite entrois dimensions pour faciliter lorganisation desdocuments et la comprhension de lactivit [7]. Uneanalyse des problmatiques de linteraction 3D(premire partie) et des exprimentations sur certainspoints (seconde partie) nous ont permis de dfinir unsystme dinteraction relativement gnrique, que nousdcrivons dans la dernire partie.

    Figure 1 : une vue de SpIn avec deux clones, leurstlpointeurs et des documents, dont un document 3D

    (lappareil photo) en transparence sur la tableLES ENVIRONNEMENTS 3DLa conception dapplications interactives utilisant troisdimensions pour la reprsentation de lespace de travailse heurte un certain nombre de problmes lis latroisime dimension, problmes techniques mais surtouthumains. Le choix de priphriques adapts linteraction sur des objets 3D est dterminant. Nousallons donc commencer par une brve description desdiffrents types existants.PriphriquesChaque problme possde son priphrique adapt. Ondiffrencie les priphriques dentre 3D [9] quipermettent lacquisition de donnes en trois dimensionssuivant trois types :- les priphriques isomtriques, qui possdent unersistance infinie (comme les trackballs 3D),

  • - les priphriques isotoniques, qui bougent librementpendant le mouvement de lutilisateur (comme lescapteurs de position),- les priphriques lastiques, auxquels on applique uneforce qui varie en fonction du dplacement.Lvolution des priphriques 2DPour ce qui est de linteraction directe, les utilisateursdevenant vite des experts du maniement de la souris, ilpourrait tre souhaitable den profiter pour les faire agiren trois dimensions. Dans cette optique, des solutionsont t dveloppes comme la Roller Mouse [23] ou laRockinMouse [1]. Dautres priphriques plusoriginaux voient le jour pour le grand public comme laSpaceOrb 360 de Spacetec ou le capteur ultrasonsFreeD de Pegasus.bilanLa diversit des types de priphriques ont permisdtudier les spcificits de chacun [27]. Lesisomtriques fonctionnent mieux dans les modes decontrle de taux (robotique), alors que les isotoniquessont plus adapts aux modes de contrle de position.Interaction 3D avec des priphriques 2DLes tudes sur la manipulation dobjets 3D la sourisont permis de dvelopper de nombreuses solutions [5][8] dans des applications contenant des objets 3D. Lamanipulation se fait travers un widget 3D (nous nousrfrons la dfinition de Brookshire [3]). Cest unpriphrique virtuel qui apparat en gnral sur lobjet(figure 2Figure 2).

    Figure 2 : un widget de translation d'Open InventorMais il ne s'agit pas d'interaction directe sur ledocument lui-mme, elle est dtourne travers unautre objet ce qui peut rendre linteraction moinsintuitive et moins pratique. Hinckley [11] a ralis unetude sur la rotation d'objets 3D qui montre la meilleureefficacit des priphriques 3D (des capteurslectromagntiques type Polhemus en l'occurrence) parrapport des priphriques virtuels manipuls lasouris (l'Arcball [21] et la sphre virtuelle [5]).Interaction 3DNous dfinissons la navigation comme les dplacementsde lutilisateur lintrieur de lespace 3D, ce qui setraduit par des changements de point de vue sur lascne. Linteraction, quant elle, correspond auxactions de lutilisateur dans la scne, qui manipule desobjets sans changer de point de vue global sur cettedernire. Ces deux lments, navigation et interaction,

    sont lis car on doit pouvoir se dplacer pour agir danslinterface. Mais la troisime dimension pose desproblmes comme celui du positionnement ou de ladirection du point de vue de lutilisateur. En fait, il fautgrer les limites de sa perception pour ne pas ledsorienter - fortiori dans notre interface de travail ole point central nest pas la navigation traverslinterface, mais la tche quon y effectue.PointageWare [25] a montr que le placement approximatifdobjets en trois dimensions devenait trivial avec leurcapteur de position 3D The Bat, compar la souris.Une tude de Driver [6] qui compare un trackball 3D,une souris et un capteur de position 3D dans une tchede pointage dobjet, rvle la supriorit du capteur 3D.Les utilisateurs font moins derreurs de perception entrois dimensions grce au retour dinformationkinesthsique. Zhai [28] montre que les priphriquesisotoniques sont les plus intuitifs et les plus rapides matriser. Hinckley [10] suggre partir de lanalysedes travaux dYves Guiard que les dplacements dunpriphrique dans un espace fix (sans configurationpossible) diminuent lefficacit de lutilisateur.Les capteurs de position 3D sont donc intressants pourle pointage dobjet, mais cela pose des problmes deperception des mouvements entre lespace rel etlespace virtuel [23].SlectionYoshimura [26] justifie lutilisation de la manipulationdirecte en 3D en reprenant la dfinition deSchneiderman [20]. Il utilise pour son systmedinteraction 3D un pointeur 3D se terminant par unrayon qui traverse les objets dans laxe du pointeur(technique du ray casting). On utilise dans ce caslorientation du capteur 3D plutt que sa position. Lamthode classique consistant slectionner lobjet unefois que le pointeur (i.e. le capteur de position 3D) estdirectement positionn dessus.Interaction deux mainsKabbash [13] met en avant les applications pourlesquelles lutilisation des deux mains est positive, etnapporte pas une charge cognitive supplmentaire pourlutilisateur. En effet, il a constat que lutilisation desdeux mains peut tre pire que celle dune seule si lesapplications assignent une tche indpendante chaquemain. Cependant, cela permet aussi dans certains cas desadapter beaucoup plus rapidement, daller plus vite linformation ou de manipuler plus facilementlinterface.Indices perceptifsIl sagit dun retour dinformations visuelles. Lasynthse dimage temps rel nous permet de crerfacilement des images dobjets 3D clairs. Les effetsdombrage sont une premire information essentielle la perception de la profondeur. Lautre indiceindiscutable est la projection en perspective des objets

  • 3D ( comparer une projection orthogonale). On peutensuite utiliser dautres indices visuels statiques oudynamiques, comme lombre porte du pointeur3D [12]. Mais Wanger [24] a montr que les indicesperceptifs dune interface 3D dpendent aussi de latche effectue. Le but est de donner les bonnesinformations sans surcharger linterface. Il sagit doncde dfinir le type de rendu que lon veut en fonction desobjectifs de lapplication vise mais aussi des tcheslmentaires effectuer, cest--dire de la perceptionqua lutilisateur de ce quil fait.Une autre forme de retour dinformations utile est leretour dinformation tactile. Daprs Burdea [4], ilpermet une sensation dimmersion impossible galeravec uniquement un retour visuel. Lauteur analyse lemanque de solution matrielle approprie dans lecommerce par la difficult technologique du dispositif,due en partie aux exigences et la complexit duphnomne simuler : le toucher (des doigts).A partir des rsultats que nous venons de rappeler, nousavons ralis des exprimentations sur des pointscritiques de linteraction 3D.EXPERIMENTATIONDans le cadre de la conception dinterfaces 3D, il a tmontr que les utilisateurs prouvaient des difficults localiser des objets virtuels en profondeur lors de tchesd'interactions directes tels que la slection, ladsignation, la manipulation d'objet. Pour pallier cesdifficults, nous avons choisi de mener des tudesexprimentales.Exprience 1 : Etude de la structuration d'une scnevisuelle sur la prcision du mouvement en situationrelle.Lors de la conception d'environnement virtuel se posetrs souvent la question de la structuration visuelle d'unescne 3D pour rendre l'interaction plus cologique, c'est dire plus proche de la reprsentation de l'action dupoint de vue de l'utilisateur. Outre, les difficultstechniques d'implmentation des invariants visuels etdes mcanismes d'interactions lis la 3D, nous nousinterrogeons galement sur la transposition desinvariants relatifs la scne visuelle et la tchemotrice, de telle sorte que le contexte de travail soitcomprhensible et les objets manipulables. Dans cecadre, de nombreuses tudes [2] [17] ont montr que lesindices visuels (statiques et/ou dynamiques) despatialisation de l'information taient prpondrantspour les interactions directes mdiatises par undispositif de pointage 3D.De mme, dans le cadre des tudes portant sur le rle dela structuration de la scne visuelle en situation noninformatise, il a t mis en vidence que lvaluationde la position d'un objet dans l'espace daction et ledplacement de la main vers cet objet sont raliss avecplus de prcision en prsence d'un contexte visuel [16][22].

    L'tude prsente ici porte sur la spcificit du contextevisuel dans des tches impliquant une coordinationvisuo-motrice. Nous nous sommes intresss l'influence de l'loignement de la cible et de la quantitd'informations contextuelles sur la prcision spatiale dumouvement.Dispositif exprimentalLes sujets (3 hommes et 4 femmes, gs de 21 26 ans)taient placs face une bote rectangulaire (60 x 100 x70 cm), divise en deux volumes gaux par un miroirrflchissant (figure 3). Ils peroivent en regardant dansle miroir une scne visuelle virtuelle au niveau infrieurdu dispositif. Le niveau suprieur est compos de 24diodes lectroluminescentes, dont quatre diodes sontutilises comme cibles (A D) et sont disposes le longde l'axe sagittal une distance de 21, 25, 29 et 33cm.

    Figure 3 : dispositif exprimentalQuatre ranges de cinq diodes positionnesparalllement l'axe fronto-parallle et utilises commeinformation contextuelle sont places respectivement 19, 23, 27 et 31cm (figure 4). Chaque cible est prsenteseule ou accompagne d'informations contextuelles. Al'issue de chaque mouvement, les coordonnes spatialesde la position terminale de la main sont enregistres parune tablette digitaliser (Wacom UD-1825, rsolutionspatiale : 0.02mm).

    figure 4 : dispositif exprimentalProcdureLes sujets effectuent des mouvements naturels dans lesquatorze conditions exprimentales suivantes : cibleseule (A, B, C, D), cible plus une range de contexte (A,B, C, D), cible plus deux ranges de contexte (A, B, C),cible plus trois ranges de contexte (A, B) et cible plusquatre ranges de contexte (A). Pour chaque cible les

  • sujets effectuent 10 essais et l'ordre de prsentation desdiffrentes conditions est alatoire. Pourl'enregistrement et le traitement des donnes, seules lescoordonnes (x,y) de la position terminale de la mainont t analyses.

    Figure 5 : rsultats obtenus lors de l'exprience 1RsultatsLa figure 5 prsente l'erreur radiale moyenne enfonction de la position de la cible (A, B, C, D) et del'environnement visuel (sans contexte, une, deux troisou quatre ranges de contexte). L'ajout d'informationcontextuelle a pour consquence une rduction del'hypomtrie caractrisant les performances ralises enprsence des cibles seules (F(13,91)=11.96 ; p

  • Pour pallier les ventuels effets dapprentissage, les huitconditions sont contrebalances. Le nombre de clicsmis et le temps mis par le sujet pour pointercorrectement le cube sont enregistrs et ce, parprsentation et pour les huit conditions. Deux analysesde variance (ANOVA) ont t ralises, sur les clics etles temps de ractions.RsultatsLANOVA ralise partir des temps de rponses nousrvle la prsence dun effet principal significatif dupriphrique (F (1,180) = 40.035 ; p

  • bote de positionnement "dpart". Les trois objets sontalors prsents. L'objet pointer apparat un coursinstant entour d'une bote englobante. Chaque objet esttir au hasard dans une des zones. Quand le sujet atteintla cible, la bote "dpart" rapparat. Un chronomtre estdclench quand le sujet clique sur la bote dpart, ils'arrte quand il a cliqu sur l'objet pointer. 10pointages sont effectus dans chaque zone et selon letype d'ombre. Ainsi pour chaque condition 120 essaissont raliss. La prsentation des objets est alatoire. Letype d'ombre est slectionn par l'exprimentateur. Pourviter l'effet d'apprentissage, les types d'ombre ont tcontrebalancs. Pour les quatre conditions d'ombre lenombre de clics mis et le temps mis pour cliquer l'objetsont enregistrs. Une ANOVA a t ralise sur les clicset les temps de ractions.RsultatsL'ANOVA ralise montre partir des temps de rponsepour cliquer sur l'objet, un effet principal de l'ombre(F(3,48)=2,541, p

  • proprioceptif, a t choisi pour la corrlation directequil y a entre le mouvement de la main et celui dupointeur. Nous lutilisons en mode absolu, avec lapossibilit pour lutilisateur de le recentrer et de fairevarier sa sensibilit. On utilise les trois degrs de libertde ce capteur, correspondant aux translations, pourdplacer un pointeur 3D dans linterface. Cetteproposition est valide dans notre seconde exprience(voir partie prcdente).Pour slectionner les objets, et de manire gnral...

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