Modélisation géométrique, Simulation et Interaction

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Objectifs / Challenges

Le principal objectif est d'améliorer la qualité en termes d'efficacité et de robustesse des opérations de modélisation géométrique et de simulation. Pour atteindre cet objectif, nous exploitons nos modèles topologiques à base de cartes combinatoires qui facilitent la conception d’opérations de modélisation géométrique grâce à leur généricité, en terme de dimension et de type de cellule, et grâce également à la séparation de la topologie et du plongement des objets qui en est le concept de base.

Participants

  • Deux professeurs : Dominique Bechmann et David Cazier
  • Un directeur de recherche : Stephane Cotin
  • Trois maîtres de conférences : Antonio Capobianco, Jérôme Grosjean et Pierre Kraemer
  • Deux ingénieurs : Thierry Blandet et Sylvain Thery
  • 5 Doctorants : Sabah Boustila (Contrat Projet CIMBEES du 12/2012 au 09/2015), Christoph Paulus (Allocataire INRIA à partir du 01/2014), Thomas Pitiot (Allocataire CNRS / Région Alsace du 10/2012 au 09/2015 (Thèse soutenue le 17/12/2015)), Lionel Untereiner (Allocataire UNISTRA du 10/2010 au 09/2013 (Thèse soutenue le 08/11/2013)), Jonathan Wonner (Allocataire Normalien du 01/2011 au 12/2013 (Thèse soutenue le 08/10/2013)).

Résultats

Modèle volumique adaptatif et multirésolution

Labellisation des cellules pour définir une hiérarchie implicite.

Une tendance forte en modélisation géométrique est d'utiliser la multirésolution afin de représenter des objets à différentes échelles. Nous avons proposé un modèle tout à fait original, les cartes combinatoires multirésolutions basées sur le modèle des cartes combinatoires. Ces travaux ont été étendus avec la thèse de Lionel Untereiner [8-UNTE13] à des maillages de dimension quelconque. Nous avons défini des opérateurs topologiques et géométriques permettant de travailler d’abord en dimension 3 sur des maillages tétraédriques et hexaédriques, puis plus généralement sur des topologies arbitraires avec une approche multi-échelles [3-UCB12, 2-UCB13].

Subdivision volumique d'un tore à trois trous modélisé par un ensemble de polyèdres quelconques.

Si des représentations multirésolution sont étudiées depuis longtemps pour les surfaces, les modèles multirésolutions supportant des représentations volumiques ou de dimension supérieures sont très rares et limités à des applications très spécifiques. La mise au point de modèles génériques multirésolution équipés d’opérateurs de simplification, de subdivision et de raffinement à la fois topologiques et géométriques représente un enjeu majeur en modélisation géométrique. Ces travaux ont été implémentés dans la plateforme de modélisation CGoGN [4-KUJT13]. Une représentation implicite, plus compacte, a également été proposée [2-UKCB15].

Détection des collisions dans des scènes en mouvement

Simulation d'une foule d'agents évoluant au milieu de mobiles (rouges).

Dans le cadre de l’animation ou de la simulation temps-réel, nos modèles combinatoires permettent une structuration de l’espace dans lequel les objets évoluent, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour aborder des problèmes importants en géométrie algorithmique, comme la détection de collision ou la recherche de plus proches voisins. Nous avons utilisé ce principe en exploitant une subdivision topologique de l’environnement particulièrement bien adaptée au cadre de la simulation de foules. Nos modèles permettent de subdiviser à la volée les cellules quand la densité d’agents augmente. A contrario, lorsque celle-ci baisse, les cellules sont simplifiées. Cette approche nous a permis d’obtenir des requêtes de proximité exécutées en temps constant quel que soit la densité de la scène simulée [2-JKC12].

D'abord limité à des agents ponctuels, ces travaux ont été étendus avec la thèse de Thomas Pitiot [8-PITI15] à des agents polygonaux déformables [2-PCJH14], puis utilisés dans le cadre d'applications médicales pour suivre les déplacements d'une aiguille au sein des tissus et structures anatomiques traversés.

Simulation de découpes et déchirures en temps réel

Dans le cadre de la thèse de Christoph Paulus, nous avons exploité nos modèles combinatoires volumiques, pour la simulation de découpe d'objets déformables [2-PUCC15]. En particulier, nous avons développé des opérateurs de remaillage local permettant d'approximer une surface de séparation tout en garantissant que le nombre de noeuds et d'éléments ajoutés soit aussi réduit que possible. Ce dernier point étant essentiel pour garantir des temps de calcul compatible avec des simulations temps réel.

Vue augmentée d'un objet élastique supportant de fortes déformations et des changements topologiques.

Ces travaux ont été utilisés pour la détection et le suivi automatique de découpes et déchirures dans des séquences vidéo [4-PHCC15a]. L'analyse des trajectoires de points caractéristiques sélectionnés dans les images est couplée à la structure combinatoire de nos modèles pour reproduire les déchirures observées sur les modèles virtuels ce qui permet leur utilisation dans le cadre d'application en réalité augmentée. Les dernières publications dans la communauté de l’informatique médicale témoignent de l’intérêt de cette approche [4-PHCC15, 2-PHKSxx]

Séparation des degrés de liberté pour la manipulation d'objets

Notre préoccupation en interaction est d'améliorer la création et la manipulation interactive d’objets numériques. L’espoir suscité par la réalité virtuelle à ses débuts était que les environnements immersifs seraient de nature à améliorer la perception des objets 3D. En réalité, si la vision stéréoscopique procure une sensation de 3D, elle rend les manipulations directes moins précises. Notre objectif a donc été de proposer des solutions qui permettent de tirer parti de ces environnements immersifs.

Etude de l'impact de la séparation des degrés de liberté pour l'interaction en environnement immersif.

Nous avons obtenu des résultats convaincants pour des tâches de positionnement et d’orientation d’un objet grâce à la séparation des degrés de liberté (DDL) et à l’utilisation de la proprioception (connaissance que l’on a sur la position de son propre corps). Nous avons ainsi montré que, contrairement à l'approche généralement exploitée qui repose une intégration maximale des différents DDL pour ce type de tâches, il est préférable d'isoler le contrôle des dimensions requérant un niveau de précision important en phase finale de la tâche. En consécration de ces travaux, nous avons obtenu une publication dans la meilleure conférence internationale de réalité virtuelle IEEE VR’2011 [4-VCB11] où, cette année-là, ce devait être le seul papier long accepté issu d’un laboratoire français.

Aides à la sélection de cibles en environnement immersif

Dans le cadre de la thèse de Jonathan Wonner [8-Wonn13], nous avons proposé trois pistes d'amélioration et d'aide à la sélection de cibles en environnement immersif.

1. Pour localiser une cible grâce à une indication de son orientation, la difficulté est de donner à l'utilisateur une information de direction 3D sans surcharge visuelle. L'idée originale consiste à utiliser une série de cercles autour d'un axe pour indiquer une direction avec un code couleur simple, le sens rouge-vert donnant la bonne direction. Ces cercles sont positionnés sur la surface d'une sphère et ainsi perçus comme des ellipses en fonction de l'orientation de la sphère et du point de vue de l'utilisateur. Intégré à un pointeur sphérique dont le rayon s'adapte pour atteindre l'objet le plus proche, l'analyse des résultats expérimentaux a montré que cette technique de sélection [4-WGCB13] offre une alternative très crédible à la meilleure technique d'aide à la localisation de l'état de l'art (la flèche 3D).

2. L'idée maîtresse d'une technique originale de guidage également couplée au pointeur sphérique est de proposer des branches dynamiques le long des segments reliant le pointeur aux cibles potentielles pour la sélection d’une cible en environnement dense. La présélection des cibles est effectuée en appliquant plusieurs filtres : filtre de distance, filtre angulaire, filtre sur le nombre maximal de cible. Le point fort du Starfish [4-WGCB12] qui montre clairement l'intérêt et la pertinence de la méthode est que le taux d'erreur reste stable lors de l'augmentation de la densité des cibles dans l'environnement immersif .

3. Enfin, une nouvelle méthode d'estimation de la cible fondée sur le mouvement de la main et plus précisément sur la phase de contrôle de ce mouvement après le pic de vitesse du mouvement de la main, a abouti à une prédiction de la cible visée à partir du geste de sélection de l’utilisateur [5-WGCB11].

Facteurs de perception des distances en environnement virtuel

Plusieurs études ont montré que l'estimation des distances en environnement virtuel est différente de l'estimation en environnement réel. Même avec l'utilisation de la stéréoscopie, les distances sont difficiles à appréhender en environnement virtuel. De multiples facteurs peuvent être à l'origine de ce problème, comme le dispositif d'affichage, le champ de vision restreint, la qualité graphique, etc. Malgré les différentes études consacrées à cette problématique, les causes de ce phénomène restent diverses et mal identifiées.

Notre travail s'inscrit dans le cadre d'un projet architectural (CIMBEES) dont l’objectif est de proposer un outil de revue de projet permettant la visite virtuelle dans des maquettes numériques à l'échelle réelle. Dans la phase d'évaluation de notre outil de navigation en environnement immersif, nous avons identifié trois facteurs importants de la perception des distances. Un protocole permettant de tester si la vitesse de navigation, l’ameublement des maisons ou le profil cognitif des utilisateurs peuvent avoir un impact positif sur la perception des distances et des volumes (habitabilité) en environnement immersif a été mené dans le cadre de la thèse de Sabah Boustila.

L'image de gauche représente une vue de scène projetée avec la projection perspective ordinaire. L'image de droite montre un exemple la même vue avec la projection hybride. Sur l'image de gauche l'utilisateur ne voit pas les pieds de la chaise devant lui.

A travers cette évaluation publiée à IHM [5-BBC15] et à ACM VRST CORE Rank A [4-BCB15], nous avons cherché les réglages appropriés. Parmi les nombreuses recommandations, les trois plus significatives sont qu'une vitesse de navigation lente (deux fois plus lente que la marche normale) est la plus adaptée aux visites immersives d'une maison virtuelle, que les maisons meublées offrent une meilleure compréhension de l'espace, et qu'enfin, l'absence de dispositif d'affichage au sol est problématique car elle l'utilisateur ne perçoit pas son espace proche. Pour contrer ce dernier point, un nouveau type de projection 3D a été expérimenté pour élargir le champ de vue vertical sans altérer la perception des volumes [4-BCB16a, 4-BCB16b]. Parmi les nombreuses perspectives de ce travail, il est apparu pertinent d’examiner l’effet d’ajout d’indices selon le profil cognitif de l'utilisateur pour améliorer les visites virtuelles et la perception des distances et des volumes.

Perspectives

De nombreux travaux utilisent simultanément plusieurs représentations d’un même objet. Elles peuvent correspondre à différentes échelles de visualisation ou à différents niveaux de détails d’un même objet 3D, mais également à des modèles de natures différentes. Ainsi, en simulation, il n’est pas rare d’utiliser un maillage volumique grossier pour les calculs numériques, auquel un maillage surfacique plus fin est associé pour un rendu réaliste. Des représentations multi-échelles sont également utilisées pour la segmentation d’images, la compression ou le filtrage de maillages. Enfin de nombreux algorithmes font appel à des structures hiérarchiques pour accélérer les traitements, comme par exemple le lancer de rayon ou la détection de collisions.

Nous voulons proposer des structures combinatoires pour la représentation de tels objets multirésolutions et les équiper d'opérateurs topologiques multi-échelles permettant de gérer de manière cohérente et contrôlées les interdépendances entre représentations. Il s'agit par exemple de construire de telles hiérarchies, de les manipuler, d’y appliquer des découpes, des simplifications, des raffinements ou d’y faire des requêtes géométriques efficaces.

Nous continuerons nos travaux sur les cartes combinatoires et leurs extensions multirésolutions, notamment pour les maillages volumiques, en visant un couplage avec des surfaces de subdivisions interpolantes offrant une représentation fine de la surface et grossière du volume par un unique maillage permettant un suivi plus aisé lors d’une simulation d’opérations (découpe ou du contact).