Contribution to the study of visualization of real and virtual environments with an extended field-of-view

par Jérôme Ardouin

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Anatole Lécuyer.

Soutenue le 17-12-2014

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 Bruno Arnaldi.

Le jury était composé de Anatole Lécuyer, Bruno Arnaldi, Sabine Coquillart, Guillaume Moreau, George Drettakis, Maud Marchal.

Les rapporteurs étaient Sabine Coquillart, Guillaume Moreau.

  • Titre traduit

    Contribution à l'étude de la visualisation d'environnements réels et virtuels avec un champ visuel étendu


  • Résumé

    Qui n’a jamais souhaité avoir des yeux derrière la tête ? Cette thèse propose d’étudier l’extension du champ visuel humain, que ce soit dans le monde réel ou dans un environnement virtuel. Nous avons d’abord conçu FlyVIZ, un dispositif qui permet d’augmenter le champ visuel. Il est composé d’une caméra catadioptrique, d’un visiocasque et d’un algorithme de traitement d’image. Lorsqu’un utilisateur porte ce dispositif, il dispose d’une vue à 360 degrés de son environnement. Le prototype a été testé avec succès dans différents scenarios, comme attraper un objet tendu dans le dos sans tourner la tête, ou passer des portes en marchant à reculons. Ensuite nous avons proposé une nouvelle méthode pour le rendu d’environnements virtuels, avec un champ visuel étendu, et en temps réel. Pour résoudre les problèmes dus à l’utilisation de projections non planes, nous avons ajouté une nouvelle étape dans le pipeline graphique. Notre méthode a ensuite été adaptée au rendu stéréoscopique avec un champ visuel de 360°. Nous avons mené une évaluation préliminaire sur l’utilisation d’un champ visuel étendu appliqué à une tache de navigation dans des environnements virtuels. Nos résultats semblent confirmer que l’utilisation d’un champ visuel étendu permet une navigation plus efficace, en diminuant le temps moyen pour effectuer une tache. Parmi les différentes projections non planes testées, une préférence pour les projections équirectangulaire et de Hammer a été exprimée. Nous avons également traité le problème de conflit d’indice de profondeurs rencontré dans les images stéréoscopiques lorsqu’un objet affiché en parallaxe négative est partiellement occulté par un bord du support d’affichage. Nous avons proposé SCVC (Stereoscopy Compatible Volume Clipping, le découpage de la scène selon le volume compatible avec la stéréoscopie) pour résoudre ce problème en n’affichant que la partie de l’espace qui n’est pas sujette au conflit d’indice de profondeur. La méthode a été évaluée et les résultats ont montrés que SCVC améliore significativement la perception de la profondeur et que les utilisateurs expriment une préférence pour cette méthode. L’extension du champ visuel humain ouvre de nouvelles perspectives pour l’exploration ou la surveillance de l’environnement d’un utilisateur. Cette extension pourrait bénéficier à diverses applications, que ce soit dans le contexte d’un environnement réel ou virtuel. Pour la sécurité des personnes ou la défense, des pompiers, des policiers ou des soldats pourraient tirer avantage d’un champ visuel étendu. Ce type de visualisation peut également profiter à l’exploration rapide d’environnements virtuels ou à la recherche d’objet dans ces derniers.


  • Résumé

    Who have never wanted to have eyes in the back of his head? This doctoral thesis proposes to study the extension of the human field-of-view (FoV) in both real and virtual environments. First we have designed FlyVIZ, a new device to increase the human FoV. It is composed of a helmet, combining a catadioptric camera, a HMD and an image processing algorithm. Wearing this device allows a user to experience 360° vision of its surroundings. The prototype is demonstrated through scenarii such as grasping an object held out behind their back without turning their head or walking backward through doorways. Then we have proposed a novel method to render virtual environments with wide FoV in real-time. To solve the rendering issue induced by usage of non-planar projections, we introduce a special stage in real-time rendering pipeline. Our method was then adapted for real-time stereoscopic rendering with 360° FoV. We have conducted a preliminary evaluation of real-time wide FoV rendering for a navigation task in virtual reality. Our results confirm that using a wide FoV rendering method could lead to more efficient navigation in terms of average task completion time. Among the different tested non-planar projection methods, the subjective preference is given to equirectangular and Hammer projections. We also address the problem of frame cancellation, generated by the conflict between two depth cues: stereo disparity and occlusion with the screen border. We have proposed the Stereoscopy Compatible Volume Clipping (SCVC), solving the problem by rendering only the part of the viewing volume free of disparity - frame occlusion conflict. The method was evaluated and results have shown that SCVC notably improved users’ depth perception and that the users expressed preference for SCVC. Wide FoV opens novel perspectives for environments exploration or monitoring. Therefore, it could benefit to several applications, both in real world context or virtual environments. In safety and security applications, firemen, policemen or soldiers could take advantage of wide FoV. Performance of searching task and fast exploration in virtual environments could also be improved with wide FoV.


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