Contribution à l'étude du rendu et de la perception haptique d'objets virtuels déformables

Contribution to the study of haptic perception and renderinf of deformable virtual objects

• Auteur / Autrice : Benoît Le gouis
• Direction : Bruno Arnaldi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 21/11/2017
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Hybrid
• Jury : Président / Présidente : Christian Duriez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Arnaldi, Christian Duriez, Sabine Coquillart, Fabrice Jaillet, Claude Andriot, Maud Marchal, Anatole Lécuyer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sabine Coquillart, Fabrice Jaillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction multimodale

Toucher

Simulation par ordinateur

Réalité virtuelle

Mots clés libres

Perception

Haptique

Multimodal user interfaces (computer systems)

Virtual reality

Computer simulation

Haptics

Résumé

L'haptique joue un rôle majeur dans l'interaction avec des environnements virtuels, avec de nombreuses applications en entraînement virtuel, en prototypage et en assistance de téléopérations. En particulier, les objets déformables représentent un défi pour la simulation à cause de leur comportement intrinsèquement complexe. À cause des besoins particuliers en terme de puissance liés à l'interaction haptique, il est en général nécessaire de faire un compromis entre efficacité et précision, et tirer le meilleur parti de ce compromis reste un défi majeur. Les objectifs de ce doctorat sont premièrement d'améliorer l'interaction haptique avec des objets virtuels déformables au comportement complexe, et enfin d'étudier en quoi la perception peut nous aider dans cette tâche.Dans cette thèse, nous proposons dans un premier temps un modèle pour la simulation physique d'objets hétérogènes déformables. Plus précisément, nous nous intéressons au problème de la multirésolution géométrique pour les objets hétérogènes, en nous concentrant sur la représentation de l'hétérogénéité à basse résolution des objets simulés. La contribution consiste en une méthode d'attribution de l'élasticité pour la basse résolution de l'objet, et une évaluation de ce changement de géométrie sur la perception haptique.Nous nous intéressons ensuite à une autre classe de comportements complexes, les changements topologiques, en proposant un pipeline de simulation pour la déchirure haptique bimanuelle d'objets déformables fins. Cette contribution se concentre sur deux aspects essentiels à la simulation efficace de déchirure, à savoir la détection de collision pour les objets surfaciques, et la simulation physique efficace de déchirure. La simulation est particulièrement optimisée pour la propagation de déchirure.Le dernier aspect couvert dans cette thèse est l'influence de l'environnement sur la perception haptique de raideur, et plus particulièrement les environnements de Réalité Augmentée (RA). Comment perçoit-on les objets en RA par rapport à la Réalité Virtuelle (RV)? Est-ce que nous interagissons de la même manière dans ces deux environnements? Pour répondre à ces questions, nous avons mené une expérience pour comparer la perception haptique de raideur d'un piston virtuel entouré dans un premier cas d'objets de la vie quotidienne en RA, et du même piston entouré par une reproduction virtuelle de cet environnement réel en RV.Ces contributions ouvrent de nouvelles perspectives pour l'interaction haptique avec des environnements virtuels, depuis la simulation efficace et fidèle d'objets déformables au comportement complexe à une meilleure compréhension de la perception haptique et des stratégies d'interaction.

Haptics is a key part for the interaction with physically-based environments, with many applications in virtual training, prototyping and teleoperations assistance. In particular, deformable objects are challenging, due to the complexity oftheir behavior. Due to the specific need in performance associated to haptic interaction, a trade-off is usually necessarybetween accuracy and efficiency, and taking the best of this trade-off is a major challenge. The objectives of this PhD are to improve haptic rendering with physically-based deformable objects that exhibit complex behavior, and study how perception can be used to achieve this goal.In this PhD, we first propose a model for the physically-based simulation of complex heterogeneous deformable objects. More specifically, we address the issue of geometric multiresolution for deformable heterogeneous objects, with a major focus on the heterogeneity representation at the coarse resolution of the simulated objects. The contribution consists in a method for elasticity attribution at coarser resolution of the object, and an evaluation of the geometric coarsening on the haptic perception.We then focus on another class of complex objects behavior, topology changes, by proposing a simulation pipeline forbimanual haptic tearing of thin deformable surfaces. This contribution mainly focuses on two main aspects for an efficientsimulation of tearing, namely collision detection for thin objects and efficient physically-based simulation of tearing phenomena. The simulation is especially optimized for tear propagation.The last aspect that is covered by this PhD is the influence of the environment over haptic perception of stiffness, and more specifically of Augmented Reality (AR) environments. How are objects perceived in AR compared to Virtual Reality (VR)? Do we interact the same way on these two environments? In order to assess these questions, we conducted an experiment aiming at comparing the haptic stiffness perception of a piston surrounded by everyday life objects in AR and of the same piston surrounded by a virtual replica of the real environment in VR.These contributions open new perspectives for haptic interaction with virtual environments, from the efficient yet faithful simulation of complex deformable objects behavior to a better understanding of haptic perception and interaction strategies.