Nouvelles approches pour la portabilité, la non-intrusivité et l'accessibilité des interfaces de manipulation 3D

This work focuses on 3D interaction with virtual objects, more specifically on 3D manipulation: selection, translation, and rotation. The most commonly-used interaction platforms (personal computer, mobile device) were designed for 2D interaction and thus are not well suited to 3D manipulation. There is a more efficient alternative for this task: virtual reality. However, current virtual reality systems are too often bulky, expensive and/or intrusive to the user, and for these reasons remain underused. In this thesis, we propose and study new solutions to make this form of interaction more convenient without reducing its effectiveness. The main objectives we aim for are interface portability, non-intrusiveness, and the use of readily-available hardware. We propose a first approach to simultaneously meet the above criteria. It consists in combining a standard mobile device (for its portability and widespread availability) with passive tangible objects (for efficient 3D manipulation in a non-intrusive manner). Yet, this approach still has drawbacks: it is made of multiple parts that must always be carried together, and is not suitable for adding force-feedback using haptic devices. We thus introduce a new technique, called “decoupling”, that allows the user to perceive virtual forces through the visual modality alone. Based on the concept of “pseudo-haptics”, this technique makes it possible to provide force feedback without the constraints associated with actual haptic devices. We then study a different approach intended to be fully integrated, enhancing the portability aspect compared to an interface made of multiple parts. This approach consists in using the motion of the mobile device itself to manipulate 3D objects displayed on its own screen. However, this “locally-coupled” configuration presents several unique characteristics that make manipulation more complex. We thus investigate the questions raised by this specific configuration. Finally, we introduce a last approach, called the “tangible volume”, aimed at regaining the same directness of manipulation as with tangible objects but in a single integrated device. We describe an early implementation of such a device, and discuss its technical feasibility as well as its potential accessibility to end users in the short and medium term.Ce travail porte sur l'interaction avec des objets virtuels 3D, et plus particulièrement leur manipulation : sélection, translation et rotation. Les plates-formes les plus utilisées aujourd'hui pour ce type de tâche (ordinateur personnel et appareil mobile) ont été conçues avant tout pour l'interaction 2D, et sont donc peu adaptées à la manipulation 3D. Il existe pourtant une alternative plus efficace : les systèmes de réalité virtuelle. Cependant, les systèmes actuellement disponibles restent trop souvent encombrants, onéreux et/ou intrusifs pour l'utilisateur, et demeurent sous-utilisés pour cette raison. Dans cette thèse, nous étudions de nouvelles approches pour rendre ce type d'interaction moins contraignant, tout en conservant une bonne efficacité de manipulation. Les principaux axes explorés sont la portabilité de l'interface, sa non-intrusivité, et l'utilisation de dispositifs plus largement accessibles au grand public. Nous proposons une première approche visant à répondre simultanément aux critères ci-dessus. Celle-ci consiste à combiner un appareil mobile classique (pour sa portabilité et son accessibilité) avec des objets tangibles passifs (pour une manipulation 3D efficace et non-intrusive). Cette approche présente toutefois encore certaines contraintes : elle est constituée de multiples éléments qui doivent être transportés ensemble, et elle ne se prête pas à l'utilisation de dispositifs à retour de force. Nous introduisons donc dans un deuxième temps une nouvelle technique, appelée «découplage». Basée sur le principe du «pseudo-haptique», celle-ci permet à l'utilisateur de percevoir des forces virtuelles à travers la seule modalité visuelle. Il devient alors possible de se passer complètement de dispositifs haptiques, et des contraintes qui leur sont associées. Nous nous intéressons ensuite à une approche entièrement intégrée, visant à améliorer la portabilité par-rapport à une interface faite d'éléments séparés. Cette approche consiste à se servir des déplacements de l'appareil mobile lui-même dans l'espace réel pour manipuler des objets 3D affichés sur son propre écran. Cette configuration «localement couplée» présente cependant plusieurs particularités qui rendent la manipulation plus complexe. Nous examinons donc en détail les différentes questions que pose cette configuration spécifique. Nous proposons enfin une dernière approche, appelée le «volume tangible», visant à retrouver la simplicité de la manipulation par objets tangibles mais dans un unique dispositif intégré. Nous décrivons une première implémentation de ce dispositif, et discutons de sa faisabilité technique ainsi que de l'accessibilité de cette approche à court et moyen terme