Mémoire () - Université Paris 8

Transcription

Etude et évaluation d'une interface haptique et sonore d'apprentissage de la géométrie pour enfants déficients visuels / Halna F.
DESS HANDI
Nouvelles Technologies et Handicaps
Sensori-moteurs
« Etude et évaluation d’une interface haptique et sonore
d'apprentissage de la géométrie pour enfants déficients visuels.»
HALNA FREDERIC
Directeur de stage : Sophie Rouzier
Entreprise : France Telecom R&D
Lieu du stage : Grenoble
Coordonnateur:
J. LOPEZ KRAHE
© 2005 France Télécom
Paris, Septembre 2005
La diffusion de ce document est soumise à l’autorisation de FTR&D
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SOMMAIRE
SOMMAIRE.........................................................................................................................- 3 LISTE DES FIGURES........................................................................................................- 5 LISTES DES TABLEAUX ..................................................................................................- 6 Avant propos.........................................................................................................................- 7 Remerciements .....................................................................................................................- 7 INTRODUCTION................................................................................................................- 9 1.
Contexte........................................................................................................................- 9 1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
La Division "Recherche & Développement" de France Télécom.............................................. - 9 Chiffres Clés ............................................................................................................................ - 10 Le Laboratoire Tech/One et l’haptique.................................................................................... - 11 -
1.2
Sujet de Stage. .............................................................................................................. - 11 -
1.3
SALOMé ....................................................................................................................... - 13 -
1.3.4
2
France Telecom R&D. ................................................................................................... - 9 -
Fonctionnalités: ....................................................................................................................... - 13 -
Le Toucher .................................................................................................................- 15 2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.2
2.2.1
La modalité haptique. .................................................................................................. - 15 Sensibilité cutanée. .................................................................................................................. - 15 La proprioception. ................................................................................................................... - 16 La sensibilité haptique. ............................................................................................................ - 17 -
Identification haptique des objets: ............................................................................. - 17 Les procédures d'exploration ................................................................................................... - 19 -
2.3
Les propriétés des objets ............................................................................................. - 20 -
2.4
Perception de l'espace.................................................................................................. - 21 -
2.4.1
2.4.2
2.4.3
Les illusions haptiques............................................................................................................. - 21 Perception des longueurs et des distances. .............................................................................. - 21 Perception des orientations. ..................................................................................................... - 22 -
LES PERIPHERIQUES HAPTIQUES ET LE TOUCHER ...........................................- 22 3
Les périphériques haptiques. .....................................................................................- 22 3.1
Présentation du Phantom ............................................................................................ - 23 -
3.2
Autres périphériques. .................................................................................................. - 23 -
3.3
Périphériques haptiques et non-voyants. ................................................................... - 26 -
4
Relation entre les capacités du périphérique haptique et le toucher, au travers des
choix adoptés dans Salomé. ...............................................................................................- 29 4.1
Point de contact unique ............................................................................................... - 29 -
3/70
Modélisation des figures .............................................................................................. - 31 -
4.3
Le plan de travail ......................................................................................................... - 32 -
4.4
Utilisation de l'audio .................................................................................................... - 32 -
4.5
Les textures................................................................................................................... - 33 -
4.6
Gestion des menus: passage d'un plan à l'autre........................................................ - 33 -
4.7
Reconnaissance de gestes............................................................................................. - 34 -
5
4.2
Présentation de Salomé..............................................................................................- 36 5.1
6
Architecture.................................................................................................................. - 36 -
Les points d'intersections...........................................................................................- 37 6.1
La molette ..................................................................................................................... - 37 -
6.2
Réalisation technique................................................................................................... - 39 -
EXPERIMENTATION......................................................................................................- 41 7
Méthodologie..............................................................................................................- 41 7.1
Présentation de la situation expérimentale ................................................................ - 41 -
7.1.1
7.1.2
7.1.3
Evaluation de la capacité à déterminer le nombre de segments passant par un point. ............. - 41 Evaluation de la capacité à déterminer l'orientation de segments passant par un point. .......... - 41 Analyse de l'influence de la molette sur la navigation dans une figure non connue................ - 42 -
7.2
Population..................................................................................................................... - 42 -
7.3
Matériels ....................................................................................................................... - 43 -
7.3.1
7.3.2
7.3.3
7.3.4
7.3.5
7.3.6
7.3.7
7.4
Le dispositif haptique à retour de force. .................................................................................. - 43 Le logiciel. ............................................................................................................................... - 43 L'interface. ............................................................................................................................... - 43 La Caméra. .............................................................................................................................. - 44 Les figures géométriques......................................................................................................... - 44 Le repère thermoformé. ........................................................................................................... - 46 Les grilles de recueil de données. ............................................................................................ - 46 -
Protocole ....................................................................................................................... - 47 -
7.4.1
7.4.2
7.4.3
7.4.4
7.5
Descriptif ................................................................................................................................. - 47 Première phase de l'expérimentation ....................................................................................... - 47 Deuxième phase de l'expérimentation ..................................................................................... - 48 Troisième phase de l'expérience .............................................................................................. - 49 -
Résultats (Analyse descriptive) ................................................................................... - 50 -
7.5.5
7.5.6
7.5.7
7.6
Première phase: Capacités à déterminer le nombre d'intersection. .......................................... - 50 Deuxième phase: Capacité à déterminer l'orientation de segments ......................................... - 52 Troisième phase: Influence de la molette sur la navigation dans une figure non connue ........ - 54 -
Discussion...................................................................................................................... - 56 -
7.6.8
Amélioration de la molette. ..................................................................................................... - 57 -
8
Conclusion..................................................................................................................- 59 -
9
Références bibliographiques: ....................................................................................- 61 -
10
Annexes ..................................................................................................................- 63 10.1
Annexe 1: données de la première expérience. ......................................................... - 64 -
10.2
Annexe 2: données de la deuxième expérience. ....................................................... - 65 -
10.3
Annexe 3 : données de la troisième expérience......................................................... - 66 -
10.4
Annexe 4 : questionnaire enfants................................................................................ - 68 -
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LISTE DES FIGURES
Figure 1: Implantation des sites France Telecom R&D.......................................... - 10 Figure 2: Omni et la représentation des axes de travail .......................................... - 23 Figure 3 : Rotary haptic knob ................................................................................. - 24 Figure 4 : Le Pencat ................................................................................................ - 24 Figure 5 : Le 6DOF de Sensable............................................................................. - 25 Figure 6 : Le Spidar et son interface visuelle. ........................................................ - 25 Figure 7 : Le CyberGrasp et le CyberForce............................................................ - 26 Figure 8 : Le Mimizu .............................................................................................. - 27 Figure 9: Modélisation de la force en fonction de la distance au segment ............. - 31 Figure 10 : Menu haptique circulaire des fonctions de construction ...................... - 33 Figure 11 : Architecture de Salomé. ....................................................................... - 36 Figure 12 : Parcours dans le triangle et le cercle inscrit. ........................................ - 37 Figure 13 : Principe de la molette. .......................................................................... - 38 Figure 14 : Angle couvert par la molette. ............................................................... - 38 Figure 15: Inclinaison du stylet lors de l'utilisation du Phantom............................ - 39 Figure 16 : Interface visuelle de Salomé................................................................. - 44 Figure 17 : Croix utilisé comme figure de familiarisation...................................... - 44 Figure 18 : Figures de la première phase de l'expérimentation .............................. - 45 Figure 19 : Figures de la deuxième phase de l'expérimentation ............................. - 45 Figure 20 : Figures de la troisième phase de l'expérimentation.............................. - 46 Figure 21 : Repère thermoformé............................................................................. - 46 Figure 22 : Modélisation à base de sinus et modélisation à base de 1/X................ - 57 Figure 23 : Modélisation du prototype de la molette.............................................. - 58 Figure 24 : Pie Menu............................................................................................... - 60 -
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LISTES DES TABLEAUX
Tableau 1: Les mécanorécepteurs et leurs fonctions .............................................. - 16 Tableau 2 : Procédures d'explorations. ................................................................... - 20 Tableau 3 : Performance des procédures d'exploration sur les différentes propriétés des
objets. ...................................................................................................................... - 21 Tableau 4 : Association des procédures d'exploration aux propriétés des objets en par
l'intermédiaire d'un périphérique haptique.............................................................. - 30 Tableau 5 : Résultats de la première phase............................................................. - 51 Tableau 6 : Résultats de la deuxième phase............................................................ - 53 Tableau 7: Total du nombre de points visités par figures....................................... - 54 Tableau 8 : Temps nécessaire pour le parcours complet par figure........................ - 55 Tableau 9: Données de la première expérimentation.............................................. - 64 Tableau 10 : Données de la seconde expérimentation. ........................................... - 65 Tableau 11 : Résultat de la troisième expérimentation partie 1.............................. - 66 Tableau 12 : Résultat de la troisième expérimentation partie 2.............................. - 67 -
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Avant propos
Suite à mon parcours en informatique effectué à l'université de Rennes 1, j'ai orienté ma
formation vers le handicap. Le DESS "Nouvelles Technologies et Handicaps Physiques et
Sensoriels" de Paris 8 m'a permis de me sensibiliser aux différentes problématiques que
pouvaient surmonter les personnes en situations de handicap. La formation m'a aussi fait
prendre conscience qu'il fallait inclure les personnes concernées au cœur même du
développement des applications, afin de pouvoir s'adapter à leurs capacités.
Remerciements
Je tiens à remercier en premier lieu Sophie Rouzier et Denis Chênes qui m’ont permis
de réaliser mon stage au sein de France Telecom Recherche et Développement sur un sujet
passionnant et de m’avoir fait profiter de leurs compétences respectives. Je remercie aussi
Bernard Hennion pour la confiance qu’il a bien voulu m’accorder tout au long du projet.
Je remercie Sylvie Vidal et Eric Petit de m’avoir accepté et supporté (dans tous les
sens du terme) dans leur bureau durant la durée de ce stage.
Je remercie tout particulièrement Nicolas Tarrin pour ses conseils et son aide
précieuse dans l’amélioration de la molette, ainsi que Philippe Gouagout et Alexandre
Vienne pour avoir modélisé et usiné le prototype de la molette.
Je remercie Thomas Perez-Ségovia pour tous ses bons conseils sur le code de Salomé,
ainsi que Gaëlle Touretta pour m’avoir sortie d’affaire tant de fois dans mon Visual C++.
Je remercie aussi Pierre Sébastien et Rudy Sicard, l’un pour un humour tout
particulier et l’autre pour nous avoir fait découvrir une étrange machine.
Nous remercions, l’amie molette et moi, toute l’équipe de France Telecom pour
l’ambiance générale, ses repas animés et ses discussions interminables.
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Je tiens enfin et surtout à remercier l’EREADV de Villeurbanne et tout
particulièrement Philippe Barrel et les élèves de l’école de m’avoir permis de réaliser les
expérimentations.
Résumé
Dans le cadre de mon stage de fin d'études au sein du DESS "Nouvelles technologies et
handicaps sensoriels et physiques" j'ai intégré une équipe de France Telecom R&D de
Grenoble effectuant des recherches sur les nouvelles interfaces, travaillant tout
particulièrement sur les possibilités offertes par l'haptique. Dans le cadre d'un partenariat
avec une école spécialisée de Villeurbanne et d'une application d'apprentissage de la
géométrie aux non-voyants (Salomé), FT R&D explore les techniques d'interaction et
l'ergonomie des interfaces haptique.
Mon Stage a débuté par une recherche bibliographique sur la perception des formes par les
non-voyants. Le but de cette recherche étant de répondre à la question: quelles possibilités
offrent l'haptique en terme de représentation de formes? Comment représenter haptiquement
une forme pour qu'elle soit correctement perçue par l'utilisateur ? Cette recherche étant
rendue possible par une connaissance minimale des possibilités du périphérique (l'Omni de
Sensable).
Dans un second temps je me suis penché sur la question de la représentation des points
d'intersections dans le logiciel Salomé, Comment représenter haptiquement une intersection
avec un périphérique à un seul point de contact. J'ai réalisé un outil permettant d'avoir une
représentation périphérique du point de contact sans se déplacer et en utilisant la rotation du
stylet. Durant cette phase j'ai dû modifier la structure de données du code existant et
appliquer un algorithme de traitement des points.
Apres la réalisation technique je me suis penché sur la rédaction des protocoles de tests et sur
la préparation d'une expérimentation de l'outil à l'EREADV de Villeurbanne. Celle-ci s'est
déroulée mi-juin.
Enfin, suite à l'extraction et au traitement des données issues des vidéos, j'ai travaillé à
quelques améliorations de la molette.
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INTRODUCTION
1. Contexte
1.1 France Telecom R&D.
France Télécom place l'innovation au coeur de la stratégie de l'entreprise afin d'accélérer sa
croissance et son positionnement d'opérateur intégré.
1.1.1 La Division "Recherche & Développement" de France Télécom
L'ambition de la R&D de France Télécom est d'être un véritable pilier pour la croissance du
groupe autour de 3 enjeux prioritaires :
•
Délivrer les projets porteurs de croissance pour le groupe, en recentrant les efforts
sur les priorités technologiques facilitant le développement de services: WiFi, UMTS,
visio et vidéo sur tous réseaux, réseaux domestiques, réseaux privés virtuels pour les
entreprises.... Tous ces projets visent à améliorer l'existant par le développement,
l'intégration ou la mise en oeuvre de solutions innovantes sur des périodes courtes.
•
Anticiper les services de l'opérateur intégré grâce à une forte implication dans les
chantiers transverses du groupe, porteurs de croissance. Il s'agit là de passer d'un
univers fragmenté (terminaux dédiés, services et plate-formes distincts, identifiants
différents) à un univers centré sur le client (les réseaux coopèrent, les équipements
sont interopérables, les usages simplifiés...).
•
Exceller en recherche et Propriété Intellectuelle au niveau mondial. France
Télécom développe en permanence son patrimoine de propriété intellectuelle par le
dépôt de nouveaux brevets, dans le but de protéger ses innovations et sa liberté
d'entreprendre. Une politique de valorisation externe des actifs technologiques est par
ailleurs mise en oeuvre en France et à l'étranger, sous forme de programmes de
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licences sur des brevets majeurs ou sur des logiciels, ou par transfert de technologies
ou de logiciels à des start-up innovantes.
La « devise » des chercheurs de France Telecom est « Notre raison d'innover, c'est vous». La
formule couvre les différents horizons temporels sur lesquels ils travaillent pour booster
l'innovation et la croissance au sein de France Télécom.
Les chercheurs remplissent trois missions complémentaires :
•
Améliorer l'existant, par le développement, l'amélioration, l'intégration et la mise en
oeuvre sur des périodes de 3 à 12 mois des services ou produits existants.
•
Préparer l'impossible, en mettant en place des projets à moyen terme, s'étalant sur
une durée de 12 à 36 mois, avec une part d'innovation importante ou de
développement de plates-formes adaptées.
•
Imaginer l'impensable, en matière de projets exploratoires, de développement de
compétences spécifiques et d'espaces de créativité pour favoriser l'anticipation du
groupe à plus long terme.
1.1.2 Chiffres Clés
Figure 1: Implantation des sites France Telecom R&D
Plus de 3 700 collaborateurs,
dont 3 000 ingénieurs, chercheurs et techniciens.
13 sites d'implantation
en France, aux USA (San Francisco et Boston), au Japon (Tokyo) et en Angleterre (Londres).
7 429 brevets
détenus au niveau mondial.
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521 nouveaux brevets et 332 logiciels déposés sur les douze derniers mois.
Un nombre de contrats de licences et de transferts de savoir-faire en augmentation permanente.
200 recrutements
chaque année.
150 thésards
français et étrangers.
Une quinzaine de start-ups
créées depuis fin 1998 sur l'initiative d'ingénieurs de France Télécom R&D, générant presque un
millier d'emplois nouveaux.
1.1.3 Le Laboratoire Tech/One et l’haptique
Mon stage se déroule au sein du laboratoire ONE (Objets communicants et Nouvelles
interfaces et Equipement terminaux) de la division Tech.
L’équipe TIM (Terminaux et Interface Multimédia) développe des actions diverses sur les
interfaces sensori-motrices. Ces actions relèvent de l'écriture en mobilité, de la transmission
de geste par le réseau, du handicap, de l'analyse de documents et d'environnement.
On peut relever quelques projets et dates marquantes du laboratoire concernant l’haptique :
•
Début 1997 : Premières recherches.
•
Sculpture virtuelle 3D 1998.
•
Télé écographie 2000 : Echographie à distance à l’aide d’un bras à retour d’effort.
•
Quintesens 2002 : Application basée sur les 5 sens.
•
Salomé 2002 : logiciel d’apprentissage de la géométrie pour les déficients visuels.
•
Télémaque 2003 : apprentissage de l’écriture par l’haptique
•
Badaboum 2003 : Jeu haptique en réseau.
•
Sumo 2004 : Jeu haptique en réseau.
1.2 Sujet de Stage.
Cadre de l’étude :
La modalité haptique (Haptein en grec veut dire toucher) est un mode d'interaction largement
utilisé par l'homme pour appréhender le monde qui l'entoure. Le toucher informe sur les
propriétés spatiales de l'environnement et permet d'accéder aux propriétés physiques et
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spatiales de texture, forme, taille, localisation, orientation, etc. Il permet également d'agir sur
cet environnement et de réaliser les activités de saisie, maintien, transport et transformation
des objets. Dans le cadre de l'interaction homme-machine, l'haptique est une modalité
d'interaction innovante dont les principes de mise en œuvre sont à étudier. Cette modalité est
introduite ici sous la forme d'un périphérique à retour d'effort : le Phantom de Sensable.
Comment employer ce nouveau périphérique dans le cadre de l'interaction homme-machine?
Quelles sont les bases des nouveaux principes d'interactions liés à l'utilisation de ce
périphérique et de cette modalité? La population ciblée ici (les personnes déficientes
visuelles) est la plus en avance sur ce thème car cette modalité est souvent leur seul moyen
d’interaction avec le monde. Ainsi, la meilleure façon de mettre au point finement une
interaction haptique entre l'utilisateur et la machine est de faire appel à cette population
experte en la matière.
Dans le cadre d’un partenariat avec une école d’enfants non-voyants nous explorons les
capacités des interfaces haptiques pour ce type de personnes. L’exploration est à la fois
technique et ergonomique. Un cours d’apprentissage de la géométrie sert de canevas à cette
exploration. Une interface haptique et sonore (nommée SALOME) d'exploration et de
construction de formes géométriques a déjà été produite.
Sujet : Dans le cadre de ces travaux, nous souhaitons répondre à la question suivante :
quelles possibilités offre l'haptique en terme de représentation de formes ? Le terme "forme"
est à prendre ici dans un sens large. Il peut s'agir de forme géométrique, mais également de
dessin, de lettre ou de tout autre symbole. La question est comment représenter haptiquement
(haptiquement seulement ou conjointement à d'autres modalités) une forme pour qu'elle soit
correctement perçue par l'utilisateur ? Cette question rejoint la problématique plus générale
des fondements perceptifs et cognitifs de la modalité haptique.
Par exemple, comment distinguer une ligne droite d'une ligne légèrement courbe ? Comment
indiquer un croisement ? Un certain nombre de conventions tactiles sont utilisées dans
l'enseignement de la géométrie. Par exemple, lorsque deux droites se coupent, les traits en
relief s'arrêtent quelques millimètres avant le point d'intersection, et un point en relief est
placé à l'endroit du point d'intersection. Comment traduire haptiquement ces métaphores
tactiles ?
Ce thème nous amène également à nous poser la question de la représentation mentale de
l'espace. Quelle est la représentation mentale de l'espace chez un enfant et chez un adulte
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non-voyant (de naissance, précoce et tardif) ? Comment se construit-elle ? Quelle est-elle
chez un enfant et un adulte voyant ?
La perception d'une forme par l'intermédiaire du bras robot devient complètement dynamique.
Quel est l'effet de cette perception dynamique sur la représentation mentale des enfants nonvoyants ?
SALOME est un outil qui nous aidera à répondre à certains aspects de ces questions
fondamentales, en permettant de mettre en place certaines hypothèses, de les tester, de les
valider ou de les infirmer.
1.3 SALOMé
Le Projet Salomé s'inscrit dans le projet Européens MICOLE. Celui-ci est axé sur le
développement d'un système permettant d'augmenter la capacité de communication et de
créativité des enfants déficients visuels mais aussi de leur permettre d'accéder à tout type de
documents (notation mathématiques, représentations graphiques). Le but du projet étant une
meilleure intégration des personnes déficientes visuelles dans le système éducatif, dans le
monde du travail et dans la société. La Recherche sur les interfaces haptiques, et
collaboratives font donc partie intégrante du projet MICOLE.
Les différents projets travaillent en collaboration avec de nombreux partenaires Européens
comme les organisations nationales pour les déficients visuels. Les enfants déficients visuels
sont inclus tout au long du projet, participant lors d'expérimentations à son évolution et à son
développement.
Le but de MICOLE n'est pas seulement de produire un système, mais de faire évoluer la
recherche sur le sujet, de produire des documents qui seront une référence pour la création
d'interfaces pour les déficients visuels.
Le projet mutualise les travaux de 11 laboratoires, et 2 entreprises en Europe travaillant dans
le domaine des interfaces multimodales.
1.3.4 Fonctionnalités:
Aujourd'hui Salomé permet la lecture, la création, la modification et la mesure de figures
géométriques par l'intermédiaire d'une interface haptique et sonore.
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Outils de création disponibles:
•
Créer un point:
o ici
o au milieu d'un segment
o à l'intersection de deux droites
•
Créer un segment:
o Définie par deux points
•
Créer une droite:
o Perpendiculaire
•
Créer un triangle:
o Rectangle
o Définie par trois points
•
Créer un cercle:
o Définie par son centre et un point
Déplacement d'un point:
Un point peut être déplacé suite à sa création, l'utilisateur placé en un point peut saisir celuici en appuyant sur les boutons de L'Omni et le déplacer à l'endroit voulu. Comme dans cabri
géomètre, si le point fait partie d'une figure et à été crée avec un invariant celui-ci limite les
déplacements du point. Conservant ainsi les propriétés des figures.
Outils de mesure:
Il existe deux outils permettant la mesure des longueurs et la mesure des angles.
Le premier une règle graduée par des points haptiques placées à intervalle régulier et le
second un rapporteur, avec des point haptique placé tout les 30°
Gestion des commandes:
Les commandes de création de figures sont accessibles par trois types d'interactions:
-
Le clavier par l'intermédiaire de la Touche ALT pour accéder au menu et les
flèches pour se diriger.
-
Les menus haptiques.
-
La reconnaissance de gestes.
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2 Le Toucher
Il est important de connaître les processus mis en œuvre lors de l'utilisation du toucher. Il faut
aussi connaître les limitations induites par l'utilisation d'un périphérique haptique qui ne
retransmet pas entièrement les informations utilisées lors de la manipulation d'objet réel.
2.1 La modalité haptique.
Nous allons aborder les façons que nous avons d'appréhender les propriétés des objets par le
toucher. Contrairement à la vue le toucher est une modalité de contact dont les récepteurs
sont répartis sur tout le corps. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux capacités
liées au système épaule main. La modalité tactile manuelle se décompose en deux types de
perception, d'une part la sensibilité cutanée et d'autre part la sensibilité musculaire et
articulaire (la proprioception).
2.1.1 Sensibilité cutanée.
La sensibilité cutanée dispose de trois qualités, la sensibilité à la pression (contact sur
la peau), la sensibilité à la vitesse et la sensibilité à la variation de pression. Ces qualités sont
liées à la présence de mécanorécepteurs.
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Caractéristiques des champs récepteurs
Limites nettes/ petites
Limites fortes/ grandes
tailles/ Sensibilité
tailles/
maximale à la périphérie du Sensibilité maximale au
champ
centre du champ
AR I Meissner
Rapide/ réponse
Phasique/Aspects
temporaux
Adaptation
Lente / Réponse
tonique
AR II Pacini
Sensible à la vitesse
d'application du stimulus.
Code les mouvements à la
surface de la peau.
(glissement d'un verre dans
la main)
Sensibles à
l'accélération du
stimulus.
Code les attributs
temporels.
(vibration d'un outil)
AL I Merkel
AL II Ruffini
Sensibilité dynamique
élevée et fréquence statique
irrégulière.
Information sur la forme et
la texture des stimuli.
(lettre en relief et braille)
Sensibilité dynamique
moindre et fréquence
statique régulière.
Tableau 1: Les mécanorécepteurs et leurs fonctions
L'extrémité des doigts est la zone qui possède la plus grande résolution spatiale. Les seuils
de discrimination, obtenus par la méthode des points explorés (Johnson & Lamb, 1981),
indiquent que les récepteurs de Meissner et Merkel sont capables de juger comme distincts,
deux points espacés de 1,5 mm, alors que le seuil pour les récepteurs de Pacini et Ruffini est
de 3,5 mm. Les récepteurs de types I permettent un codage fin des détails spatiaux des objets
et codent également les déformations imposées à la peau lors de leur manipulation.
2.1.2 La proprioception.
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La sensibilité musculaire et articulaire résulte des mouvements. Les récepteurs
proprioceptifs se situent au niveau des muscles, des tendons et des articulations. La
proprioception est le sens qui nous permet de connaître la position de notre corps dans
l'espace (statesthésie) et de nos mouvements (kinesthésie). La sensibilité au mouvement
correspond à une sensation de vitesse, de direction et d'amplitude, la sensibilité à la position
nous informe des angles formés par chacune de nos articulations, et la sensibilité à la force
nous informe du niveau de tension du muscle.
2.1.3 La sensibilité haptique.
La perception haptique ou active résulte des informations cutanées qui s'ajoutent aux
informations issues de la déformation mécanique des récepteurs, résultant des mouvements
d'exploration du système épaule main. Ces mouvements sont intentionnels, auto initié, pluri
articulaire et plutôt lents (E. Gentaz à paraître). Le toucher est une modalité de contact et
dépends de la surface de contact avec l’objet. Dans le cadre de notre étude, l’utilisation d’un
stylet limite cette surface de contact aux doigts mais de nombreuses études ont aussi utilisé
d’autres parties du corps pour retransmettre de l’information.
2.2 Identification haptique des objets:
L’identification des objets communs de notre entourage est un cas particulier de la tâche
perspective générale appelée reconnaissance des configurations (ou patterns). Quand nous
reconnaissons un pattern, nous le situons dans une certaine catégorie de notre expérience
passée. Les systèmes sensoriels décomposent la stimulation en éléments qui sont ensuite
synthétisés en unités intégrées par les systèmes de niveau supérieur.
Si on compare le toucher aux autres sens utilisés pour appréhender notre environnement, on
remarque que le toucher est un traitement séquentiel comme l'audition mais qu'il possède
aussi des capacités dans le domaine spatial comme la vision. En effet lors de l'exploration
d'un objet, la main parcourt les arrêtes en effectuant des allers-retours. Cette phase peut être
assimilée à la perception visuelle d'un objet de grande taille. Mais dans la vision la
reconnaissance des objets s’effectue par l’extraction des informations spatiales de l’objet,
l’extraction d’une forme générale basées sur la disposition des arrêtes. Dans la modalité
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haptique, l’extraction de la forme de l’objet par les arrêtes de celui-ci est beaucoup plus long
et moins performant que par la vision (Klatzky et Lederman 2000). Dans la reconnaissance
haptique les propriétés matérielles sont beaucoup plus exploitées que dans la modalité
visuelle et lorsque celle-ci est redondante avec l’information spatiale, la reconnaissance
haptique est efficace.
Klatzky et lederman en 1985 ont montré que les non-voyants étaient capables de reconnaître
un grand nombre d'objets familiers seulement par le toucher. Le taux de reconnaissance de
ces objets avec des critères stricts était de 96% démontrant les capacités discriminatives de
cette modalité. Mais cette capacité se réduit fortement lorsque les objets sont représentés en
2D par l'intermédiaire de papier thermoformé.
Le toucher permet d'appréhender les caractéristiques des objets en accédant aux propriétés
physiques et spatiales de texture, forme, taille, localisation, orientation, etc.
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2.2.1 Les procédures d'exploration
Lederman et Klatzy (1987) ont analysé les procédures d'exploration misent en place afin
d'accéder aux différentes propriétés des objets. Une procédure d'exploration ou "EP" est un
modèle de mouvements stéréotypés ayant des caractéristiques invariantes.
Une "EP" ne correspond pas à une configuration particulière de la main, une pression ou une
surface de contacte constante. Les propriétés invariantes de chaque "EP" sont répertoriées
dans le tableau ci-dessous.
19/70
Tableau 2 : Procédures d'explorations.
2.3 Les propriétés des objets
Ces procédures d'exploration ont chacune certaines caractéristiques permettant de déterminer
les différentes propriétés des objets explorés. Les propriétés d’un objets peuvent être soit
spatiales (forme, orientation), hybrides (poids) ou matérielles (texture, dureté). Il est possible
d'associer plusieurs procédures permettant d'accéder de façon plus ou moins efficacement à
plusieurs propriétés de l'objet.
procédures
d'exploration
texture
dureté
température
poids
volume
forme
globale
forme
exacte
20/70
contact
statique
frottement
latéral
S
S
O
-
O
O
-
O
S
S
-
-
-
-
pression
S
O
S
-
-
-
-
soulèvement
-
S
S
O
S
S
-
enveloppement
S
S
S
S
S
S
-
suivi de
S
S
S
S
S
N
contour
Tableau 3 : Performance des procédures d'exploration sur les différentes propriétés des objets.
S : suffisant, O : Optimal, N : Nécessaire.
On peut remarquer que pour extraire la forme exacte d’un objet seul le suivi de contour est
satisfaisant, il est donc nécessaire pour extraire cette propriété. L’utilisation d’une interface
haptique comme l’Omni ne permet pas de mettre en place toutes ces procédures. On verra
dans le chapitre 4 l’adaptation de ce tableau au travers une interface haptique.
2.4 Perception de l'espace
Dans le cadre de l’étude qui nous intéresse on se limitera à l’espace de préhension
(espace accessible sans déplacement) sans aller jusqu'à l’espace de locomotion. Lors de la
localisation spatiale, la modalité haptique incite les non-voyants à utiliser un système
égocentré (par rapport au propre corps). En effet le manque de repère extérieur à la cible ne
permet de juger sa position que par rapport à soi même.
2.4.1 Les illusions haptiques
Les illusions perceptives ne sont pas limitées au domaine de la vision, certaines des
illusions optiques sont aussi présentes dans la modalité haptique.
L’illusion de la verticale horizontale : Comme dans la modalité visuelle, les longueurs
orientées verticalement sont surestimées par rapport aux mêmes longueurs orientées
horizontalement. En haptique cette illusion a été attribuée à la surestimation des mouvements
radiaux (selon les rayons ayant pour centre le corps) par rapport aux mouvements tangentiels
(tangent au rayon ayant pour centre le corps), (Heller 2000).
2.4.2 Perception des longueurs et des distances.
21/70
Selon Lederman et Klatzky (1985), la méthode de réponse employée pour évaluer les
distances, influent sur les résultats. Lorsque la mesure est effectuée d’une manière
« statique », donnée par la distance inter index, celle-ci est moins précise mais plus variable
que lorsqu’elle est donnée d’une façon « dynamique » (déplacement de l’index). Les
performances ne sont pas améliorées si l’autre index reste à la position du point de départ
pour servir de point de référence.
Lederman et al (1985) montre que pour l’estimation de distance euclidienne entre
deux points, si le chemin suivit par l’index pour relier le point d’arriver est sinueux, celle-ci
augmente de manière significative. On observe alors un effet de détour, l’estimation de la
distance serait donc la résultante du mouvement d’exploration sans interprétation de la
position d’arrivée par rapport à la position initiale.
2.4.3 Perception des orientations.
Gentaz et Hatwell (2000) ont montrés que la perception haptiques des orientations
verticale et horizontale est toujours meilleure que celle des obliques. Cet « effet d’oblique »
dépend surtout des informations gravitaires apportées par les bras durant l’exploration. Il a
été montré que lorsque ces informations gravitaires étaient réduites ou supprimées l’effet
d’oblique disparaissait.
LES PERIPHERIQUES HAPTIQUES ET LE TOUCHER
3 Les périphériques haptiques.
Dans les interfaces haptiques, le retour de force est obtenu grâce à la résistance aux
mouvements de la main.
22/70
3.1 Présentation du Phantom
Le matériel haptique utilisé est un Omni de la société Sensable. C'est le dernier
périphérique haptique de Sensable, plus abordable au niveau prix, il est aussi plus
facilement transportable. Malheureusement, l'Omni par rapport aux autres périphériques de
la marque est moins précis, une résolution de 450 dpi (par rapport au 1100 dpi du
DESKTOP) et aussi plus faible au niveau du retour de force 3.3N (7.9N pour le
DESKTOP). Il possède 6 degrés de liberté dont 3 seulement sont motorisés (les 3
translations) et son espace de travail est de 160 mm* 120 mm* 70mm. L'omni se manipule
comme un stylo et permet de ressentir des formes en appliquant des forces sur le système.
Les trois rotations ne bénéficient pas d'angle de rotation de 360°.
Figure 2: Omni et la représentation des axes de travail
Dans l'expérimentation on utilise la rotation du stylet selon l'axe Z avec une
modélisation des 360° sur les 310° exploitable. .
3.2 Autres périphériques.
On distingue plusieurs types de périphériques haptiques. Ils varient en fonction du
nombre de degré de liberté (DOF) mais aussi de leurs points de contacts. Certains de ces
23/70
dispositifs comme l'Omni sont des périphériques de bureau, et d'autres sont prévus pour être
mobile et pour faire corps avec l'utilisateur. Je présente ici des périphériques commercialisés
ayant dépassé le stade du prototype.
Un seul degré de liberté:
La ROTARY HAPTIC KNOB de la société Immersion, un périphérique simple avec
un seul degré de liberté sur une rotation. L'application livrée avec le périphérique permet la
création simple de retour d'effort simulant le passage de cran, les effets de ressorts et les
textures…
Figure 3 : Rotary haptic knob
Trois degrés de liberté:
Le PENCAT ayant des retours de force sur 2 DOF, permet un travail en 2D sur le plan
horizontal.
Figure 4 : Le Pencat
Six degrés de liberté:
le 6DOF de Sensable. Six degrés de liberté, tous avec retour d'effort. Permet une
manipulation réaliste avec des forces conséquentes dans un espace de travail important.
24/70
Figure 5 : Le 6DOF de Sensable.
N degrés de liberté :
Le SPIDAR permet une interaction avec 10 points de contacts, un pour chaque doigt
permettant de simuler l'agrippement d'objet et leurs manipulations.
Figure 6 : Le Spidar et son interface visuelle.
Les technologies mobiles:
un exemple de nombreux gants haptiques ceux-ci permettent une interaction avec des
objets virtuels utilisant la mobilité du corps, sans restreindre l'espace de travail. Cependant
les exosquelettes ne permettent de saisir les objets, mais ne peuvent pas limiter les
25/70
déplacements de la main. Le périphérique étant attaché à l'utilisateur, celui-ci ne peut réduire
ces mouvements. La solution, permettant de coupler les avantages des deux systèmes, est
aussi distribuée par Immersion. Le système d'exosquelette étant attaché à un bras a retour
d'effort.
Figure 7 : Le CyberGrasp et le CyberForce.
3.3 Périphériques haptiques et non-voyants.
De nombreuses équipes de recherche travaillent sur la problématique des interfaces
haptiques dans le but de faciliter l'accès à l'ordinateur pour les personnes non-voyantes. Ces
laboratoires utilisent différents périphériques à retour d'effort et travaillent sur la
modélisation haptique des objets. La notation scientifique est un obstacle important dans la
scolarité des malvoyants et un grand nombre de travaux porte sur le traitement de la
représentation graphique des données. Mais les interfaces haptiques ouvrent aussi de grandes
perspectives dans le domaine ludique et dans l'enseignement à distance permettant ainsi
d'avoir un rapport tactile entre l'enseignant et l'apprenant. Dans la majorité de ces interfaces
la modalité audio est couplée à la modalité haptique et participe à la compréhension de
l'environnement informatique.
Le CERTEC effectue des recherches sur les nouvelles technologies au service des
personnes handicapées. On peut noter les différents travaux depuis 2002 sur la
reconnaissance d'objet par l'intermédiaire d'un périphérique haptique. Magnusson et al. 2002
ont montré les possibilités offertes par le Phantom de Sensable dans la reconnaissance
d'objets. Cet article montre aussi les limites d'un périphérique à un seul point de contact et le
besoin de mettre en place des stratégies pour une exploration efficace des objets. Ils étudient
la navigation dans un environnement virtuel permettant au non-voyant une meilleure
26/70
appréhension du monde extérieur, et la découverte de nouveaux environnements urbains. Le
projet HOMERE (Lécuyer et al. 2003 ) porte lui aussi sur l'exploration d'environnement
virtuel, grâce à une interface multimodale incluant l'haptique.
Il existe de nombreux travaux sur de nouvelles interfaces à base de cellules brailles.
L'une d'entre elles est très intéressante puisqu'elle permet de l'utiliser comme périphérique
d'entrée comme de sortie. Le Mimizu bénéficiant d'une résolution de 32x48 picots et avec
une fréquence de rafraîchissement de 20 HZ offre la possibilité de percevoir des formes en
mouvement. De plus grâce au stylet il permet aussi de créer ces propres formes.
Figure 8 : Le Mimizu
Une équipe de l'UTC de Compiègne a aussi travaillé sur le couplage d'une tablette
graphique et d'une cellule braille. L'utilisateur manipule la tablette d'une main et les
informations tactiles sont retransmises par l'intermédiaire de la cellule braille sur l'autre main.
La tablette permet par l'intermédiaire d'un stylet de déplacer le curseur à l'écran. Lorsque le
curseur passe sur une figure des informations tactiles sont envoyées par l'intermédiaire de la
cellule braille. Grâce à ce dispositif les utilisateurs ont réussit à reconnaître des lettres, mais
la reconnaissance était surtout dépendante de la complexité de celle-ci.
Yu et Brewster 2002, testent une application permettant une représentation haptique
de graphique en comparant l'efficacité du Phantom à celle d'une souris à retour d'effort. Dans
le cadre de cette expérimentation, il en ressort que dans une tache en 2D, utilisant une
interaction monomodale (haptique), les utilisateurs obtiennent de meilleurs résultats avec le
Phantom qu'avec la souris. Par contre dans le cas d'une utilisation multimodale (haptique +
sonore) il n'y a pas de différence significative entre le Phantom et la souris. Un périphérique
comme la souris WINGMAN force feedback de LOGITECH peut être suffisant pour traiter
des informations 2D lorsqu’il est utilisé d’une manière multimodale.
27/70
28/70
4 Relation entre les capacités du périphérique
haptique et le toucher, au travers des choix
adoptés dans Salomé.
Représentation de l'information au travers de l'IHM de Salomé: dans l'état actuel dans
Salomé de nombreux choix de représentation de l'information ont été fait. Cette application
permet la représentation haptique de figures géométriques mais aussi leur construction.
L'Omni de Sensable ayant un espace de travail en 3 dimensions, on s’y déplace en ressentant
une légère friction au contact d’un plan horizontal situé à 70 mm de la table.
4.1 Point de contact unique
Le point de contact unique a une influence sur le choix de l'interaction avec l'espace
virtuel, il ne permet pas d'anticiper sur les déplacements. Dans le toucher lors d'un suivi de
contour sur un dessin thermoformé, on anticipe une variation de direction ou un angle grâce à
l'information transmise par les disques de Merkel. On adapte alors son mouvement à la forme
de l'objet perçu. Le point de contact unique et l'absence d'information (provenant de la
déformation de la peau des doigts) sur la forme influe donc sur la modélisation des objets.
L'exploration doit être guidée et doit offrir des compensations au manque d'information. La
perte d'information influe aussi sur la façon même d'appréhender les formes des objets.
L'ensemble des procédures d'explorations définies par Klatzky et Lederman ne peut plus être
mis en place dans l'utilisation du Phantom.
29/70
J'ai essayé de reproduire le tableau des performances des procédures d'exploration sur
les propriétés des objets (Cf. Tableau 3) mais en passant par l'intermédiaire du Phantom.
On remarque tout d'abord que le Phantom ne permet pas de retranscrire les informations
thermiques, de plus l'unique point de contact empêche l'utilisation de l'enveloppement, et
rend le contact statique inefficace.
procédures
d'exploration
contact
statique
frottement
latéral
texture
dureté
température poids
volume
forme
globale
forme
exacte
-
-
-
-
-
-
-
O
S
-
-
-
-
-
pression
-
O
-
-
-
-
-
soulèvement
-
-
-
N
-
-
-
enveloppement -
-
-
-
-
-
-
suivi
de
S
N
N
N
contour
Tableau 4 : Association des procédures d'exploration aux propriétés des objets en par l'intermédiaire
d'un périphérique haptique
S : suffisant, O : Optimal, N : Nécessaire.
On remarque aussi une plus grande spécialisation des procédures d'exploration, celleci n'étant accessible que par une seule "EP". L'étude des EP au travers des périphériques
haptiques n'a pas vraiment été développée, Klatzky et Lederman (2004) ont étudié les effets
d'une exploration contrainte. En réduisant soit le nombre de doigt, la surface de contact, ou
encore en utilisant une sonde, le toucher perd des informations essentielles, cela perturbe la
reconnaissance des propriétés des objets. Dans leurs études il a été démontré que l'utilisation
d'un dé ou d'une sonde réduisait considérablement le taux de reconnaissance des objets et
surtout le temps de réponse. Par contre la notion de texture est peu affectée par l'utilisation
d'un outil. Lors d'un déplacement sur une surface rugueuse, les vibrations sont retransmises
par l'intermédiaire de la sonde sollicitant ainsi les mécanorécepteurs de la peau. Même si
l'information ne peut être traité par les récepteurs de Merkel (sensibles à la déformation de la
peau et utilisés pour la perception des textures), elle peut être traité par les récepteurs de
Pacini.
30/70
4.2 Modélisation des figures
Afin de palier les limitations du point de contact unique, les figures géométriques ont
été modélisées sous forme de rails et de points aimantés. L'utilisateur est attiré vers l'élément
le plus proche de la figure. Il a été choisi une représentation des contours de la figure, sans
avoir de notion d'intérieur ou d'extérieur de cette figure. Les autres modélisations ; qui
permettent de représenter les figures en contraignant les sujets soit à l'intérieur, soit à
l'extérieur de la forme ; ont été testé dans les premières versions de Salomé. Il est apparu que
les sujets préféraient la modélisation des contours. La modélisation qui contraint l'utilisateur
à l'extérieur, parait être la plus naturelle, car elle est la plus proche de notre appréhension des
objets en 3 dimensions. Mais lorsque l'on parcourt un objet, les changements de facettes ne
sont perçus que par la perte de contact avec l'objet, par conséquent l'utilisateur doit retrouver
la figure pour reprendre son exploration. De plus, en contraignant l'exploration à l'extérieur
de la figure cela empêche l'exploration de figures complexes composées de figures simples,
et rendant inaccessible les arrêtes à l'intersection des figures. La modélisation par suivi de
contour, offre une plus grande facilité pour l'exploration de figures complexes permettant les
intersections d'éléments. L'aimantation permet d'attirer l'utilisateur lorsqu'il se trouve à
proximité d'un segment et de le maintenir sur le segment lorsqu'il s'y trouve.
Figure 9: Modélisation de la force en fonction de la distance au segment
Si on reprend la classification des procédures d'exploration manuelle d'après Klatzky
& Lederman (1987), la représentation choisie dans Salomé permettrait une exploration selon
le suivi de contour.
Les deux procédures d'exploration les plus utilisées et les plus efficaces dans la
reconnaissance de formes en haptique, sont le suivi de contour et l'enveloppement. Cette
dernière n'est pas une solution envisageable avec un périphérique haptique à un seul point de
contact. De plus, la nature de la représentation des figures influe sur le choix de la procédure
31/70
d'exploration. Les figures représentées sous forme de contour sont plus facilement traitées
par la méthode de suivi de contour (S. Russier, 2000). Le but de Salomé n'est pas de faire un
logiciel de reconnaissance de forme, l'utilisateur est un élève qui doit résoudre un problème,
celui-ci à une connaissance par la lecture de l'énoncé de la nature des figures. L’utilisateur
doit donc retrouver une certaine cohérence entre ce qu’il ce a quoi il s’attends et ce qu’il
touche.
Salomé doit donc fournir une information cohérente permettant la reconstruction mentale des
figures. Il doit notamment permettre de différencier les figures entre elles, retrouver toutes
les figures, et parcourir celles-ci en entier.
4.3 Le plan de travail
Le choix d'un plan de travail horizontal n'apparaît pas forcement comme le plus
évident car celui-ci est l'axe de référence visuel (E. Gentaz, Y. Hatwell, 2000). En effet dans
le plan vertical les composantes gravitaires permettent une meilleure discrimination des
variations d'angles (voir page 137-138). Malgré cet avantage le plan fronto-parallèle n'a pas
été retenu du fait des efforts nécessaires pour s'y déplacer. En effet, à long terme il est
préférable de travailler dans le plan horizontal pour limiter la fatigue.
4.4 Utilisation de l'audio
Dans la modalité visuelle, on tire de l'objet l'information globale puis l'information
locale. En revanche dans la modalité haptique, la figure est appréhendée de façon
séquentielle et locale en utilisant la procédure d'exploration de suivi de contours. Pour
accéder à l'information globale, le sujet doit associer les différents éléments entre eux. Cette
association mobilise des processus mnésiques importants. Par l'intermédiaire de l'audio,
Salomé pourrait permettre un accès global puis local. En effet, en arrivant sur une figure,
l'utilisateur pourrait être informé de la nature de la figure, l'information serait donc d'abord
globale par l'audio puis, locale par l'haptique. En 1989, Heller constate que lorsque les sujets
bénéficient d’indices sur la liste des objets à reconnaître haptiquement, ceux-ci augmentaient
les capacités perceptives d’identification. L’audio permet à l’utilisateur de connaître la nature
de l’objet exploré, et celui-ci n’a plus qu’à en déterminer les particularités.
32/70
Lederman et Klatzky (2000) ont décrit ces processus comme des processus descendants,
facilitant l’identification haptique par la combinaison de l’information issue du stimulus avec
les attentes produites par le contexte.
4.5 Les textures
Klatzky et al. 1989 ont montré que la texture et la dureté augmentaient la vitesse de
classification des objets quand elles définissent une catégorie redondante avec la forme. Dans
Salomé on a pu remarquer, suite aux premiers tests, que parfois les lignes droites étaient
perçues comme courbes. On a donc utilisé une texture particulière pour représenter le cercle.
Cependant les textures ne sont que peu utilisées dans l'interface et devraient pouvoir offrir
des informations supplémentaires, celles ci pourraient être associées à des figures (à des
types de figures) permettant ainsi de pouvoir ressentir lors d'une intersection, le passage
d'une figure à l'autre.
4.6 Gestion des menus: passage d'un plan à l'autre
Dans la première version de Salomé, les actions de construction étaient toutes
effectuées à partir du clavier. Les actions demandant des allers-retours entre le clavier et le
périphérique haptique (souvent utilisé par la même main).
Figure 10 : Menu haptique circulaire des fonctions de construction
33/70
Le but aujourd'hui est donc de supprimer le clavier et de réaliser la majorité des actions par
l'intermédiaire du Phantom. Une première version d'un menu haptique circulaire (Cf. figure
10) à été développé, celui-ci placé dans un plan horizontal et situé au dessus du plan des
figures, permet la sélection de commande. Pour passer d’un plan à un autre l’utilisateur force
dans la direction du plan souhaité (vers le haut ou vers le bas) une information sonore lui
indique qu’il est passé dans l’autre plan. En arrivant sur le plan du menu, les utilisateurs sont
contraints sur le cercle par la méthode de l'aimantation, ils ressentent une résistance lorsqu'ils
arrivent sur un item. La sélection de l’item se fait par un appui sur l’un des boutons de
l’Omni.
4.7 Reconnaissance de gestes
Pour étendre les capacités d'interaction et surtout de permettre la saisie de lettre,
Symbal un logiciel de reconnaissance d'écriture a été intégré à Salomé. Symbal permet en
utilisant le plan supérieur de l'application de pouvoir effectuer des commandes. Le système
permet la reconnaissance d'une forme et l'associe à une commande dans Salomé, la
commande de création d'un carré sera donc lancée par le dessin d'un carré. Symbal a pour
avantage sa flexibilité, c'est un moteur de reconnaissance permettant l'apprentissage
omniscripteur. Le moteur permet la création de nouveaux symboles avec peu d'exemples et
donc une adaptation rapide et efficace au scripteur. Cette possibilité ouvre des perspectives
dans l'utilisation des gestes par les malvoyants. Ce système permet aussi d'associer des gestes
à des commandes standard (ouvrir, fermer…). Lors de la construction de figures le système
demande le nom des points (des lettres), l'utilisation du clavier posant toujours des problèmes
d'efficacité, il est possible de rentrer les lettres par l'intermédiaire de la reconnaissance
d'écriture.
Une phase de tests a été réalisée à l'ERADV afin de valider le système auprès d'enfants
déficients visuels. Cette expérimentation a montré que la notion de figure géométrique ne
posait pas de problème, en revanche celle de l'écriture de lettres reste limitée aux enfants
ayant eu un apprentissage de l'écriture noire dans leur enfance.
L'utilisation de gestes permettrait une interaction entièrement haptique, sans limite d'items.
Permettant ainsi un accès rapide à un nombre important d'items. L'inconvénient d'une telle
interface est l'apprentissage nécessaire pour connaître les commandes disponibles.
34/70
Une étude a été menée à France Telecom pour faire ressortir des gestes pouvant être associés
à des commandes. Cet ensemble de gestes défini pour l'instant les commandes de base des
applications (ouvrir, fermer, valider…)
35/70
5 Présentation de Salomé
5.1 Architecture
L'ensemble des projets haptiques de FT R&D est développé sur une plateforme
commune. La plateforme Téléforce facilite la création d'applications utilisant des
périphériques à retour d'effort. Téléforce permet entre autre la gestion de modules facilitant
l'accès aux fonctionnalités des différents périphériques à retour d'effort.
Lors de mon stage, je suis essentiellement intervenu au niveau de Salomé : une application
basée sur Téléforce. En premier lieu, j’ai réalisé les connexions nécessaires à la récupération
des encodeurs de rotation qui, n'étaient pas utilisés sous Salomé mais pré-cablé sous
Téléforce.
L'architecture de Salomé est surtout centrée sur une méthode appelée à la fréquence
haptique (1000 Hertz). La boucle haptique appelé 1000 fois par seconde permet une
interaction temps réel entre le périphérique (l'Omni) et l'application (Salomé). Cette
interaction est basée sur la projection de la position du Phantom sur la figure géométrique. En
fonction de cette distance est appliquée une force (cf. figure 10).
Le traitement de l'audio se fait aussi par l'intermédiaire de la boucle haptique, tandis que le
traitement graphique ne se fait qu'à la fréquence de 25 images par secondes.
Figure 11 : Architecture de Salomé.
36/70
6 Les points d'intersections
Les points d'intersection ont posé des difficultés dans les premières expérimentations de
Salomé. Rouzier S. et al(2003) ont remarqué que sur certaines figures complexes composées
de plusieurs figures géométriques simples, les sujets passaient de l'une à l'autre des figures
sans le remarquer.
Sur l'exemple, on peut remarquer le chemin emprunté par certains sujets lors de la tâche de
reconnaissance de forme. Certains sujets ne passent jamais par le point B, ils effectuent le
parcours AIJC.
Figure 12 : Parcours dans le triangle et le cercle inscrit.
Le problème étant donc celui de la représentation haptique du nombre de segments et de
leurs distributions. Une des solutions proposées alors, était l'utilisation d'un cercle cranté
positionné au niveau des points d'intersections. Pour moi, les informations liées à un point,
devaient être nécessairement accessibles sans déplacement du stylet. La procédure
d'exploration devait également rester circulaire comme le balayage de l'espace autour du
point. Donc en reprenant l'idée du cercle cranté, j'ai eu l'idée d'utiliser les rotations pour
permettre une exploration sans déplacement du stylet.
6.1 La molette
D'un point de vue technique, l'Omni n'a pas de retour de force sur les rotations, cette
absence de contrainte tend souvent à négliger l'utilisation des rotations dans les interfaces
haptiques. J'ai eu l'idée d'utiliser les forces sur les translations afin de donner un retour
haptique lors de la rotation du stylet. Dans la première version de la molette, on utilise une
37/70
force ponctuelle orthogonale au plan XZ. Cette force est appliquée durant 1 ms, et fait
ressentir une impulsion dans le stylet. La direction de la force est choisie uniquement d'un
point de vue technique, la sensation est très brève et il est très difficile de reconnaître dans
quelle direction la force a été appliquée. Mais d'un point de vue technique si la force
ponctuelle est appliquée dans le plan des figures, celle-ci provoque des vibrations non
attendues. Un grand principe de la programmation haptique, c'est justement de lisser les
forces, et dans ce cas précis on applique une force ponctuelle on provoque donc une vibration
contrôlée.
Durant mon stage, j'ai donc développé un outil supplémentaire ajouté à Salomé. Lorsque l'on
est sur un point et que l'on tourne le stylo sur l'axe Z, on ressent des impulsions au moment
où l'angle de rotation correspond à l'orientation d'un segment.
On peut imaginer un compas placé au point d'intersection que l'on ferait tourner et qui
sursauterait lorsque la pointe passe sur les segments.
Figure 13 : Principe de la molette.
Les 360° de l'espace environnant le Point d'intersection sont modélisés sur les 310°
offert par l'Omni. Le segment S (cf. figure 18) sera lui modélisé deux fois, une fois à gauche
et une fois à droite correspondant aux angles 0 et 360 sur la figure 15.
On a fait le choix, que le segment S ne serait ressenti qu'en arrivant en butée de la rotation,
l'impulsion
Figure 14 : Angle couvert par la molette.
38/70
Lors de l'utilisation de la molette, l'angle du stylet avec le plan horizontal varie. Cette
variation dépend de l'utilisateur et du degré de liberté donné par l'Omni. Durant une
utilisation "normale", le stylet peut former un angle de 20° à 70° par rapport à l'horizontal.
Figure 15: Inclinaison du stylet lors de l'utilisation du Phantom.
Cet outil d'aide à la représentation des intersections permet aussi une sélection de
segment. En effet lorsque l'on ressent une impulsion, le segment correspondant sera le seul
segment haptiquement accessible en sortie. Cette fonction permet de pouvoir sélectionner un
segment (le dernier segment visité) avant de s'y engager et ainsi de pouvoir contrôler son
déplacement. Lorsque le sujet ressent une vibration et stoppe sa rotation, le système énonce
le nom du segment. Ce nom de la forme "segment AB" donne d'abord le nom du point où le
sujet est placé puis l'autre extrémité.
6.2 Réalisation technique
La première phase de la réalisation technique a été d'appréhender le code existant de
Salomé, développé depuis 2002. C'est un code riche développé par plusieurs personnes.
Après avoir appréhendé la structure de données, je l'ai enrichi pour mettre en place la molette.
Le premier principe de la molette réside dans le fait qu'a chacun des points d'une figure soit
associés à la position relative des autres points. Le traitement demande du temps de calcul est
c'est une donnée sensible en haptique. En effet, on a vu que le traitement des données
haptique ce faisait à une cadence de 1KHZ demandant une optimisation des calculs. Les
données nécessaires au fonctionnement de la molette sont en majorité fixées, je les ai donc
ajoutées à la structure de données des points. Ainsi, les données sont donc accessibles par
simple accès mémoire et ne demandent pas de temps de calculs.
39/70
Un des problèmes dans le traitement informatique des figures géométriques, c'est le
traitement des différents cas possibles. J'ai donc mis en place un algorithme permettant le
traitement de la majorité des cas de figures réalisables dans Salomé.
A chaque point corresponds un tableau de point connexe (relier par un segment, une droite ou
un cercle) dans ce tableau sont présents :
•
Numéro des points voisins.
•
Position relative des points voisins par rapport au point courant.
Le principe de l'algorithme est le glissement d"une fenêtre sur le tableau des angles (triés de
façon croissante). Le déclenchement des impulsions étant réalisé sur le franchissement de des
bornes de la fenêtre.
Dans un second temps il a été nécessaire de filtrer les données venant du Phantom, les
données renvoyées par les encodeurs sont en effet assez instables et influent sur les notions
de fenêtrage mise en place dans le traitement des angles. L'algorithme fonctionnant sur un
principe de franchissement de valeur, et vu que les valeurs reçues étaient fluctuantes, cellesci provoquaient plusieurs déclenchement d'impulsion lorsque la rotation était proche de
l'orientation du stylet. J'ai donc appliqué un filtre de la moyenne adaptative sur les données
reçues permettant un lissage des données sans apporter de retard significatif sur les données.
Cela a permis de stabiliser
40/70
EXPERIMENTATION
7 Méthodologie
7.1 Présentation de la situation expérimentale
Il s'agit d'effectuer des tests utilisateurs sur la compréhension des intersections de
segments, de droite ou de courbes dans Salomé. Il s'agit donc d'évaluer l'apport de la molette
dans la représentation mentale de ces intersections. Par rapport aux premières séries
d'expérimentation nous avons matérialisé tous les points d'intersections. Dans des logiciels
comme Cabri-Géomètre, seul les points créés sont affichés, les intersections de droites ou de
figures ne le sont pas. Pour permettre l'utilisation de la molette, j'ai donc fait en sorte que tous
les points d'intersections soient matérialisés.
L'expérimentation se présente en trois parties:
7.1.1 Evaluation de la capacité à déterminer le nombre de segments
passant par un point.
Le sujet est placé en un point et n'a pas la possibilité de se déplacer. Il doit dénombrer
le nombre de segments passant par ce point en utilisant la molette. Il doit verbaliser sa
réponse lorsqu'il pense avoir dénombré les segments.
7.1.2 Evaluation de la capacité à déterminer l'orientation de segments
passant par un point.
Le sujet est placé en un point et n'a la possibilité de se déplacer, doit en utilisant la
molette déterminer l'orientation de deux segments passant par ce point. Il doit indiquer
approximativement sur un repère thermoformé comportant huit directions la direction du
segment exploré.
41/70
7.1.3 Analyse de l'influence de la molette sur la navigation dans une
figure non connue.
Dans un premier temps le sujet doit, sans utiliser la molette, effectuer un parcours
imposé dans une figure. Placé au point de départ le sujet doit passer par une série de point
pour compléter le parcours. Dans un second temps, le sujet doit effectuer un parcours de
difficulté identique mais en utilisant la molette.
Nos Interrogations:
• La modélisation du segment dirigé vers le sud (représenté une fois à droite et une
fois à gauche) a-t-elle une influence sur le résultat?
• La rotation sur 310° du stylet pour le parcours complet pose-t-elle des problèmes de
précision nécessaire pour les figures comportant de nombreux segments?
• La modélisation des 360° sur environ 310° modifie-t-elle la représentation de
l'orientation des segments?
• La molette permet-elle une exploration plus précise, en réduisant au maximum le
nombre s'aller-retour sur les segments?
• La molette permet-elle de désambiguïser certaines situations critiques relevées lors
des tests précédents?
• En résumé la molette est-elle utilisable ?
7.2 Population
Les sujets sont des élèves de L'EREADV de Villeurbanne (Etablissement Régional
d'Enseignement Adapté pour Déficients de la Vue). Cet établissement accueille des élèves
de 6 à 20 ans ayant une acuité visuelle maximale de 4/10 du meilleur œil après correction.
Pour l'expérience il s'agit de 10 élèves, tous malvoyants (6 filles et 4 garçons) ayant une
moyenne d'âge de 15 ans (Ec-T: 1,56). 3 sont gauchers et 7 sont droitiers.
Nous avons choisi un panel utilisateur représentatif, c'est-à-dire des personnes qui
seront directement visées par l'application. Les sujets n'ont pas accès à l'interface visuelle
même si elles ont des restes visuels Ils lisent tous le braille et 4 sujets sur 10 ont déjà utilisé
le bras à retour d'effort. Ils reçoivent tous un enseignement de la géométrie avec les outils
"classiques", poinçon et feuille plastique.
42/70
Tous les sujets utilisent un équipement informatique par l'intermédiaire d'un bloc note
braille (IRIS).
7.3 Matériels
7.3.1 Le dispositif haptique à retour de force.
L'OMNi de Sensable
7.3.2 Le logiciel.
On utilise le logiciel Salomé permettant de restituer les figures géométriques 2D sous
forme haptique par l'intermédiaire de l'Omni. La représentation utilisée s'assimile à une
aimantation du stylo vers le contour de la figure modélisée. Son exploration se rapproche de
la procédure d'exploration de suivi de contour, un traitement de l'information très séquentiel.
La molette a donc été intégrée à Salomé pour l'expérimentation.
7.3.3 L'interface.
Pour permettre de relever le plus d'informations possibles, j'ai aussi modifié l'interface
de Salomé afin de permettre de visualiser l'angle de rotation du stylo. J'ai séparé la
composantes en Y de la force dans le rendu visuel du vecteur force afin de ne visualiser que
les composantes en X et Z, ces deux composantes rentrant en compte dans l'appréciation de
la direction imprimée par le sujet sur l'Omni.
43/70
Figure 16 : Interface visuelle de Salomé
7.3.4 La Caméra.
Les séries tests sont filmées afin d'évaluer les durées des tests, et d'enregistrer les
réponses verbales des sujets et la tenue du stylet. On filme également l'interface décrite cidessus permettant de récolter des données sur la navigation et sur la rotation de la molette.
7.3.5 Les figures géométriques.
La Figure de Familiarisation que nous utilisons est une croix, comportant les quatre
directions N, S, E, O.
Figure 17 : Croix utilisé comme figure de familiarisation
44/70
Les 4 figures (cf. figure 18) servant à la première partie de l'expérimentation:
•
Le nombre de segments.
•
La répartition des segments.
•
Si le segment S (cf. figure 17) est présent ou non.
La représentation haptique de ces figures ne comporte que le point d'intersection et la
modélisation des segments par des impulsions lors de la rotation du stylo. Les sujets ne
peuvent pas explorer la figure en se déplaçant.
Figure 18 : Figures de la première phase de l'expérimentation
Les 6 figures (cf. figure 19) servant à la deuxième partie de l'expérimentation:
• L'angle formé entre deux segments
• La présence ou non du segment S.
• L'orientation des segments par rapport à l'horizontale et à la verticale.
L'information haptique ne comporte que le point d'intersection et la modélisation des
segments par des impulsions lors de la rotation du stylo. Les sujets ne peuvent pas explorer la
figure en se déplaçant.
Figure 19 : Figures de la deuxième phase de l'expérimentation
Les 4 figures (cf. figure 20) servant à la troisième partie de l'expérimentation se définissent
comme une combinaison de propriétés physiques:
• La longueur du parcours.
• Le caractère aigues / obtus des angles à emprunter.
45/70
• Nombre de segment à une intersection.
Il s'agit de figures plus ou moins complexes situées dans le plan horizontal et modélisées
sous la forme de rails aimantés attirant le stylet du sujet.
Nous pouvons classer ces figures en 2 catégories:
• Simple : figure 1,2.
• Compliquée: figure 3,4.
Ces figures seront utilisées deux fois, une fois sans la molette et une fois avec. La seconde
fois nous utiliserons alors leur version Miroir, permettant d'éviter un phénomène
d'accoutumance tout en conservant leurs caractéristiques physiques.
Figure 20 : Figures de la troisième phase de l'expérimentation
7.3.6 Le repère thermoformé.
Ce repère (cf. figure 21) sert à formuler les réponses dans la deuxième partie de
l'expérimentation, le sujet indique sur le repère quel est le segment le plus proche que celui
qu'il a ressentis avec l'Omni
Figure 21 : Repère thermoformé
7.3.7 Les grilles de recueil de données.
Cf. annexes 1,2,3.
46/70
7.4 Protocole
7.4.1 Descriptif
L'expérimentation se déroule en trois phases: une partie sur les capacités à déterminer
le nombre de segment de l'intersection, une partie sur la capacité à déterminer l'orientation de
segments, et une autre sur l'influence de la molette sur une tâche de navigation dans une
figure non connue.
7.4.2 Première phase de l'expérimentation
Familiarisation avec l'utilisation de la molette:
Le sujet doit explorer l'angle formé par deux segments (cf. figure 19) de façon
haptique (en manipulant le bras Phantom) puis comparer avec l'information donnée par la
molette. Dans cette phase on laisse le temps au sujet de bien appréhender la figure. Le but est
que le sujet associe lui-même les impulsions ressenties lors de l'utilisation de la molette avec
le nombre et la direction des segments qui composent l'intersection qu'ils explorent.
Utilisation de la molette:
Le bras Phantom est placé au point d'intersection des segments, le sujet doit
dénombrer le nombre de segments passant par le point.
1. Variables manipulées.
Variables Indépendantes:
•
Nombre d'angles
•
Orientation des segments
Variables Contrôlées:
•
Ordre de présentation des figures
2. Variables mesurées.
Variables Dépendantes:
- Temps de réponse
- Taux d'assistance.
47/70
- Tenue du stylo.
- Performances:
•
Succès / Echec sur le nombre de segments.
•
Nombre d'aller-retour sur les encoches.
- Forces contraires produites par le sujet
7.4.3 Deuxième phase de l'expérimentation
Utilisation de la molette:
Le bras Phantom est placé au point de rencontre des segments, le sujet doit explorer
l'intersection à l'aide de la molette, puis indiquer sur le repère thermoformé l'orientation des 2
segments qui composent l'intersection. Le sujet n'a pas la possibilité de se déplacer dans la
figure.
•
Orientation des segments
•
Ordre de présentation des figures (aléatoire)
- Temps de réponse
- Tenue du stylo.
- Performances:
•
Succès / Echec sur le nombre de segments.
•
Nombre d'aller-retour sur les encoches.
48/70
7.4.4 Troisième phase de l'expérience
On place le sujet au point de départ, et on lui donne la série ordonnée de points à
parcourir. Pour une raison de facilité les parcours à effectuer sont, soit la série ABC soit la
série ABCD. Dans le test toutes les intersections entre les segments sont matérialisées par des
points magnétiques.
Parcours sans la molette:
Sans molette lorsque le sujet arrive sur un point, il doit essayer de sortir de ce point
dans toutes les directions. Lorsque le sujet arrive sur un segment la synthèse vocale énonce le
nom du segment (exemple "segment AB"). Le sujet n'est donc pas obligé d'aller jusqu'au bout
du segment pour connaître le nom de l'autre extrémité.
Parcours avec la molette:
Le sujet en arrivant à un point d'intersection doit utiliser la molette pour connaître le
nom des segments et donc des points qui constituent ce segment. Le nom d'un segment est
énoncé lors de l'impulsion. En un point, seul le segment par lequel le sujet est arrivé est
disponible, c'est en "sélectionnant" un segment précis que le sujet changera ses possibilités de
déplacement.
Traitements des données.
•
Propriétés des figures (simples / complexes).
•
Aides à l'exploration (avec molette / sans molette).
•
Ordre de présentation des figures
49/70
- Temps de parcours: du point de départ au point d'arrivée.
- Performances:
•
Succès / Echec
•
Nombre d'aller-retour.
•
Nombre de segments visités
- Mode d'exploration:
•
Segments parcourus.
•
Figure complète explorée.
•
Tenue du stylet.
7.5 Résultats (Analyse descriptive)
7.5.5 Première phase: Capacités à déterminer le nombre d'intersection.
Taux de réussite et sources des échecs
Dans l'ensemble les résultats sont plutôt bons, si on prend l'ensemble des résultats on
arrive à 90 % de réponses correctes. On remarque augmentation du temps de réponse
mais aussi du nombre d'essais en fonction du nombre de segments constituant
l'intersection.
50/70
figure
nb
de
temps
nb
moyen
taux
segment
moyen
2
4
12,5
1,3
80
1
8
19,3
1,5
100
4
9
22,2
1,8
100
3
14
26,3
2
80
d'essais
de
réussite
Tableau 5 : Résultats de la première phase.
Toutefois le taux de réussite ne dépend pas seulement du nombre de segments. Sur la
figure 2 ayant seulement 4 segments, le taux d'erreur est de 20%; le fait d'isoler le
segment S semble avoir déstabilisé les sujets. C'est sur cette figure que le nombre de
sujets ayant effectué un aller-retour avec la molette sur une impulsion est le plus élevé.
La modélisation choisie pour ce segment présentait le risque d'être compté deux fois par
les sujets. Si on ne tient pas compte de la figure 2, on remarque que sur les deux autres
figures (figure 1 et 3) où est présent ce segment l'erreur ne se reproduit pas. Les sujets,
mettant en place la stratégie de se placer à une extrémité de la molette avant de
commencer à compter, contournent le problème de la modélisation. Dans le cas de la
figure 2 les sujets sont déstabilisés par le fait de ressentir l'impulsion du segment S en se
plaçant à l'une des extrémités et de ne plus le sentir en repartant. De ce fait ils comptent
une fois le segment en se plaçant et une fois en arrivant à l'autre extrémité de la molette.
On trouve ce phénomène seulement dans la figure 2 celle où le segment S est isolé
contrairement aux figures 1 et 3.
L'autre source d'erreur vient du fait du grand nombre de segment sur la figure 3. On a
placé 14 segments sur 180°, cette difficulté a été dans l'ensemble bien gérée, 2 sujets
seulement ont commis des erreurs, l'un pour qui la difficulté de la tâche l'a contraint à
donner une réponse au hasard et l'autre qui a compté deux fois un segment après un aller
retour. L'absence de retour de force fait que la rotation est complètement libre (pas de
résistance en passant sur les segments). Pour dénombrer les segments, la rotation doit être
assez constante, le sujet doit la contrôler sur ensemble de son amplitude pour ne pas avoir
d'aller-retour.
On remarque que les 5 sujets ayant répondu à leur premiers essais réalisent l'exercice en
moins de 22 secondes, 14 pour la plus rapide, le temps est un facteur de réussite dans
l'utilisation de la molette, plus le sujet met de temps, plus la difficulté augmente.
51/70
On peut observer dans cette partie de l'expérimentation que les sujets tiennent le stylet à
une ou deux mains. On peut remarquer une certaine adaptation, en effet au début de cette
phase de l'expérimentation, ils sont cinq sur neuf à utiliser le stylet à une main et ne sont
plus que 3 à la fin.
7.5.6 Deuxième phase: Capacité à déterminer l'orientation de segments
*tendance naturel à se rapprocher des verticales horizontales et diagonales:
E. Gentaz percevoir l'espace avec la main le sens haptique.
Dans les pré-tests effectués avec des voyants, les sujets devaient reproduire par un
dessin l'orientation des segments qui passaient par le point. Après discussions avec les
professeurs de l'EREADV, nous avons choisi de proposer au sujet de pouvoir utiliser un
repère thermoformé pour donner ses réponses.
La consigne dans cette partie de l'expérimentation était d'indiquer sur le repère
l'orientation des segments perçus. Si l'orientation ne correspondait pas à un des segments
du repère, les sujets devaient indiquer l'orientation du segment par rapport à ceux qui
étaient présent sur le repère.
Cette solution, bien que la plus adaptée pour les non-voyants a pu influencer les réponses
des sujets, les sujets on eu des difficultés à situer des segments qui n'étaient pas
représenté sur le repère. Les sujets ont eu tendance à indiquer les segments présents
même si la différence entre le ressenti et la réponse était importante.
Si on s'attarde aux résultats de la figures 2 et tout particulièrement au segment
1(premier segment a partir du segment S dans le sens horaire); On remarque que pour ce
segment orienté entre le segment O et le segment SO les sujets ont tous donné des
réponses sur les deux axes les plus proches de la réponse. Dans ce cas précis les réponses
sont données aléatoirement sur le segment O et sur le segment SO.
52/70
Nous avons dressé un tableau pour récapituler le nombre d'erreurs commises sur
l'évaluation de l'orientation des segments. Dans un premier temps par figure le nombre
d'erreur supérieur à 15° puis le nombre d'erreur supérieur à 30° sur chacun des deux
segments. On présente aussi le total des erreurs en angle de tous les sujets sur chacune
des figures.
nb erreur
nb erreur
nb erreur
nb erreur
total erreur
sup 30° sgt sup 30° sgt sup 15° sgt sup 15° sgt
en angle
1
2
1
2
sgt 1
0
3
0
4
55
0
2
9
2
190
1
1
1
2
60
0
4
0
4
45
1
1
1
1
45
1
3
1
3
70
Tableau 6 : Résultats de la deuxième phase.
figure
1
2
3
4
5
6
total erreur
en angle
sgt 2
170
180
100
195
45
155
Dans l'ensemble des résultats, on retrouve pour les segments non présents, une
répartition des réponses sur les segments les plus proches (cf. annexe 5)
Si on ne considère que les segments présents sur le repère thermoformé, on obtient un
taux de réussite (une erreur est une estimation supérieure à 15°) de 90,3%
Le problème de la modélisation du segment S (cf. figure 17) n'a pas posé de problème
particulier dans cette partie de l'expérience. On retrouve ce segment dans la figure 4 et la
figure 6, un seul sujet ayant commis une erreur supérieure à 30° sur l'estimation de ce
segment.
On remarque aussi que les erreurs viennent aussi du fait qu'il n'y a pas de retour de
force dans la rotation. En effet les impulsions correspondant aux segments n'opposant pas
de résistance lors de la rotation, certains sujets mettent un certain temps entre le moment
où ils ressentent la vibration et le moment où ils s'arrêtent de tourner et évaluent
l'orientation. On arrive donc dans certaines situations aux limites matérielles du dispositif.
Dans cette partie de l'expérimentation on remarque la mise en place de stratégies. Les
sujets commence tous l'exploration se plaçant sur une des 2 extrémités de la molette et
53/70
effectue une rotation (pour la plupart dans le sens horaire) jusqu'à ressentir le premier
segment. On soulever le fait que certains sujets évaluent les segments de façon individuel,
tandis que d'autres évaluent une différence angulaire. Cela se remarque par le fait que
certains sujets effectuent des allers-retours sur les segments durant leur exploration, et
donnent une réponse groupée pour l'orientation des deux segments. Les autres sujets
traitent un segment donne leur réponse et traitent le deuxième segment. On remarque
(annexe 5) que les réponses restes groupées autour de la solution, et que le nombre
d’erreurs augmente si le segment à évaluer ne se trouve pas sur un des huit axes du repère
(cf. figure 21).
7.5.7 Troisième phase: Influence de la molette sur la navigation dans
une figure non connue
Dans un premier temps nous nous attardons sur l'effet de la molette sur la qualité
d'exploration. Nous avons relevé le nombre de passage sur chacun de points, et nous
comparons ainsi la méthode sans molette et la méthode avec molette. Le nombre idéal
correspondant au nombre de points à visiter.
160
nombres de points visités
140
120
100
sans molette
80
avec molette
idéal
60
40
20
0
figure 1
figure 2
figure 3
figure 4
Tableau 7: Total du nombre de points visités par figures
On peut constater que la méthode avec molette réduit considérablement le nombre de
passage sur les points surtout sur les figures dites complexes. Dans le cas de la figure 4,
54/70
le nombre de points visités est réduit de 74%. De plus le taux de réussite sur la figure 4
passe de 66% sans molette à 100% avec la molette. On obtient même sur la figure 2 un
nombre de points visités minimal.
En réduisant le nombre d'hésitation lors d'un parcours on peut aussi améliorer la
représentation mentale de la figure. On peut aussi remarquer que sur les figures simples,
la différence entre molette et sans molette diminue.
800
700
temps en secondes
600
500
sans molette
400
avec molette
300
200
100
0
figure 1
figure 2
figure 3
figure 4
Tableau 8 : Temps nécessaire pour le parcours complet par figure
On peut aussi comparer les résultats sur le temps et on remarque qu'il n'y a pas de
différence significative sur les temps de parcours sauf sur la figure 4. En effet la figure 4,
sur laquelle 4 sujets n'ont pas réussi à finir le parcours en moins de 2 minutes sans
molette, que le temps de parcours diminue fortement (42.85%) lorsque les sujets le
réalisent avec la molette. Par contre sur les autres figures on remarque que cette
différence n'est pas significative, et que dans la situation de figure simple comme la
figure 1, la méthode sans molette est même plus rapide.
On s'est aperçu que la chance était un facteur important sur la figure 4, un sujet ayant
trouvé le point C par hasard sans passer par le point B a été incapable de le retrouver par
la suite.
On a pu observer lors de cette expérimentation que l'orientation des segments était bien
estimée avec la molette. En effet l'interface permettait de relever les forces au moment où
les sujets se déplacent d'un point vers un segment. Le but étant de savoir s'il y avait une
55/70
relation entre l'orientation perçue et la force appliquée sur le stylet pour le déplacement.
La molette permet lorsque l'on a ressenti une impulsion, de limiter le déplacement du bras
au segment correspondant. Dans sa version actuelle, l'orientation des segments est donnée
par la position des boutons du stylet. Certains sujets, une après avoir ressentis les
segments déplacent leur doigts pour évaluer la position des boutons, ce gestes implique
parfois une rotation du stylet qui fait varier le segment ciblé. En effet si deux segments
sont très proches, la distance entre les deux impulsions est également très proche, lorsque
le sujet entame son déplacement vers le segment sélectionné il maintenir l'orientation de
la molette. Sinon il sera dirigé sur le mauvais segment. Cette situation c'est produit dans
le parcours des figures, sur la figure numéro 4, certains sujet n'ont pas réussit du premier
coup à atteindre le point C alors qu’il avait dans un premier temps bien « visé » ce point.
Il ont du s’y reprendre à plusieurs fois pour réussir.
7.6 Discussion.
L'expérience montre que même si on utilise un degré de liberté du Phantom n'ayant pas
de retour d'effort, on peut en appliquant des forces ponctuelles sur le bras Phantom pour
donner des informations tactiles pertinentes et exploitables pour l'utilisateur. Ces
informations restent parfois imprécises par le fait que l'utilisateur ne puisse stabiliser la
molette sur un cran, mais uniquement dans une position proche du cran. La solution
développée dans cette application fonctionne tout en ayant une certaine limite dans la
dextérité nécessaire à effectuer la rotation du stylo.
La projection nécessaire pour passer du plan de rotation du stylet (cf. figure 15) au plan
de travail dans Salomé ne pose pas de problème particulier et l'estimation de l'orientation
de segment par cette méthode est envisageable.
Les résultats de l'expérience montrent l'utilité que pourrait avoir la molette durant la
navigation ou l'exploration haptique des figures géométrique. On remarque aussi que la
molette n'est pas toujours la méthode la plus rapide; l'outil devrait être accessible sur
demande de l'utilisateur et non être par défaut dans l'application. En effet la molette
devrait servir à désambiguïser certaines situations critiques comme une intersection avec
de nombreux embranchements, des angles très aiguës, ou les tangentes aux cercles.
56/70
7.6.8 Amélioration de la molette.
Suite aux réactions des membres de l'équipe sur les résultats de l'expérimentation,
nous avons travaillé sur une version moins binaire de la molette. Dans sa première
version, les forces appliquées étaient ponctuelles. Dans la nouvelle version, nous avons
tout d'abord appliqué des force orthogonales au plan XZ mais en modélisant les crans
avec une sinusoïde. Cette modélisation permet de faire varier le cran dans sa hauteur et
dans sa largeur. De plus en jouant sur les amplitudes de "simuler" une résistance. Il
devient possible différentier sa position par rapport au segment, de se placer juste dessus
(ceci n'était pas réalisable avec la modélisation par impulsion). Nous avons aussi testé
d'autres représentations autres que le sinus, en essayant d'aplatir le sommet de la courbe
pour obtenir une meilleure sensation du cran. Une seconde version a aussi été développée
mais cette fois ci avec des force dans le plan XZ. En effet pour pouvoir donner une
information supplémentaire de direction, le passage sur un cran déplace l'utilisateur selon
l'orientation du segment pointé. Les déplacements sont de faible amplitude (<3mm) mais
des pré-tests effectués avec des sujets naïfs montrent que les directions sont assez bien
discriminées. Cependant les informations sont assez légères lorsque l'on se déplace
rapidement sur les crans, en effet, On ne ressent pratiquement pas la variation. Pour palier
à ce problème, j'ai adapté la forme du cran en fonction de la vitesse de rotation de la
molette. Si on tourne lentement, l'information sera précise de forme sinusoïdale, par
contre si on tourne rapidement elle sera ponctuelle modélisé par une impulsion. Le but à
terme serait de faire une version plus adaptative, modifier la période et l'amplitude en
fonction de la vitesse de rotation.
Figure 22 : Modélisation à base de sinus et modélisation à base de 1/X
57/70
L'expérimentation a aussi montré que les sujets avaient quelques difficultés à utiliser
la molette à une main. Le stylet étant de taille assez importante en longueur et en
diamètre (surtout pour des enfants), j'ai imaginé une version plus courte et mieux adapté
aux mouvements d'utilisation de la molette. Le prototype a été dessiné par Gouagout P. et
par Vienne A. et a été réalisé à l'aide d'une machine strato de prototypage. Cette molette
permet une meilleure prise en main et nous a permis de remplacer les boutons (pour
l'instant inutilisé dans la version actuelle de Salomé) par un segment en relief présent sur
toute la longueur de l'outil, permettant d'indiquer l'orientation du segment. L'objectif étant
une meilleure maîtrise et surtout faire que la majorité des utilisateurs la manipule d'une
seule main.
Figure 23 : Modélisation du prototype de la molette.
58/70
8 Conclusion.
Cette expérimentation constitue une étude préliminaire dans la résolution des
intersections dans la représentation haptique des graphiques. Elle démontre que
premièrement la matérialisation de tous les points, réduit le fait de sortir involontairement
des figures et que deuxièmement l'apport d'un outil qui permet une vision périphérique au
point, réduit considérablement le coté aléatoire de l'exploration.
Il reste à développer d'autres tests afin d’évaluer son apport dans la situation d'une
navigation dans une figure connue et à vérifier si certaines situations critiques lors de la
navigation dans les figures non connues, le sont toujours dans les figures connues.
Les limites matérielles du Phantom, les rotations sans retour d'effort et la complexité à
maîtriser la rotation du stylet, durant une phase de navigation, nous a poussés à chercher
des solutions alternatives pour les coupler au Phantom.
La première et la plus évidente, est celle d'utiliser un Phantom avec 6 degrés de liberté
avec retour d'effort. Si, aujourd'hui Salomé utilise l'Omni , c'est surtout pour une
introduction rapide en milieu scolaire. En effet l'Omni reste le périphérique haptique en
3D le plus abordable. Les travaux consisteraient donc au portage de la molette sur un 6
DOF pour bénéficier du retour de force sur la rotation et donc de pouvoir maîtriser la
rotation.
Il serait aussi intéressant de tester le principe de la molette avec le matériel d'Immersion,
en couplant la Rotary Haptic Knob avec le bras Phantom. En effet cette molette permet
de programmer des crans en les plaçant aux endroits désirés. Cette solution permettrait en
utilisant la main libre des utilisateurs de représenter haptiquement les informations
d'intersection en laissant une navigation libre de l'autre main. Ce périphérique permettrait
aussi d'avoir la représentation des 360° autour du point et de permettre une recherche
rapide des segments, le mouvement de rotation entre les crans pouvant être rapide.
Contrairement à la rotation sur le Phantom, celle-ci pourrait être contrôlée haptiquement.
De plus cette solution permettrait une représentation dans deux plans parallèles
horizontaux facilitant le rapport entre l'orientation de la molette et la direction du
déplacement.
59/70
Il serait intéressant aussi de se pencher sur la question des menus haptiques et des
possibilités offertes par la molette dans ce domaine. Aujourd'hui les recherches sur les
menus en haptique reposent sur le principe du pie menu. C'est un menu circulaire, où
l'utilisateur placé au centre, se déplace dans les portions du disque représentant les items
sélectionnables. Komerska et Ware ont démontré l'efficacité de ce type de menu haptique
par rapport au menu linéaire, sur au niveau de la rapidité d'accès aux informations. Ce
type de menu est aussi recommandé pour les non-voyants dans les travaux de Sjöström
(2000) sur les interfaces haptiques.
Figure 24 : Pie Menu
La molette offre la possibilité de répartir les items sur l'ensemble de l'espace de rotation
et d'en maîtriser la sélection. De plus, la notion de menu contextuel en fonction de
l'élément sélectionné pourrait être mise en place. La molette par rapport au pie menu a
l'avantage de permettre à l'utilisateur de ne pas se déplacer pour accéder à l'information.
Les impulsions pourraient avoir de nombreuses utilisations dans les applications
haptiques, afin de palier au manque de retour d'effort sur certains degrés de liberté.
60/70
9 Références bibliographiques:
Edouard Gentaz, Yvette Hatwell 2000. "Le traitement haptique des propriétés spatiales et
matérielles des objets". Toucher pour connaître, pp, 129,162.
Todd E. Murphy, Robert J. Webster, Allisson M. Okamura 2004. "Design and Performance
of a two-Dimensional tactile display". Eurohaptics, pp, 130-137.
Sandrine Russier 2000. "L'influence des Procédures d'exploration tactilo-kinesthésique sur
l'appréhension de formes géométriques bidimensionnelles".
M. Shimojo, M. Shinohara, and Y. Fukui 1997. "Shape Identification Performance and Pinmatrix Density in a 3-Dimensional Tactile Display".
Edouard Gentaz (sous presse). "Explorer pour percevoir l'espace avec la main". In J. Bullier
& Thinus-Blanc (Eds). Agir dans l'espace.
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61/70
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Rouzier S., Petit E. 2005 "Teaching Geometry to Visually Impaired Pupils Using Haptics
and Sound".
62/70
10 Annexes
63/70
10.1 Annexe 1: données de la première expérience.
figure
sujet
nb S
E
T
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
sujet 1
sujet 2
sujet 3
sujet 4
sujet 5
sujet 6
sujet 7
sujet 8
sujet 9
sujet 10
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
37
10
16
15
14
21
44
14
11
11
moyenne
ecart-type
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
19,3
11,7
sujet 1
sujet 2
sujet 3
sujet 4
sujet 5
sujet 6
sujet 7
sujet 8
sujet 9
sujet 10
4
4
4
5
4
4
4
4
5
4
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
moyenne
ecart-type
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
sujet 1
sujet 2
sujet 3
sujet 4
sujet 5
sujet 6
sujet 7
sujet 8
sujet 9
sujet 10
12,5
9,47
15
14
10
14
14
14
14
14
14
14
1
0
-4
0
0
0
0
0
0
0
moyenne
ecart-type
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
39
10
8
12
9
12
11
8
9
7
sujet 1
sujet 2
sujet 3
sujet 4
sujet 5
sujet 6
sujet 7
sujet 8
sujet 9
sujet 10
moyenne
ecart-type
32
19
63
33
20
20
16
24
22
14
26,3
14,3
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
34
14
34
9
35
50
10
11
16
9
22,2
14,7
nb E T En nb AR nb C
2
1
2
2
2
1
2
1
1
1
13
10
11
9
8
21
14
14
11
11
nb M
1
0
0
0
0
2
0
0
0
0
8
8
8
8
8
12
8
8
8
8
1
1
2
1
2
1 puis 2
2
1 puis 2
2
2
1
0
0
1
0
1
0
0
1
0
6
4
4
5
4
6
4
8
5
4
2
1
2
1
2
1
2
1 puis 2
2
2
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
16
14
14
14
14
14
14
14
16
14
2
1
2
1
2
2
2
1
2
2
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
11
9
9
9
9
9
9
9
9
9
2
1
2
1
2
2
2
1
2
2
Su
So
sV
remarque
*
*
*
*
*
1,5 12,2
0,53 3,676
2
1
1
2
2
1
1
1
1
1
12
10
8
8
5
12
11
8
9
7
*
*
*
segment du bas compté 2 fois
segment du bas compté 2 fois
1,3
9
0,48 2,261
3
1
4
3
2
1
1
3
1
1
22
19
10
12
17
20
16
14
22
12
*
segment compté 2 fois
*
trop difficile.
*
*
*
2
16,4
1,15 4,326
2
1
3
1
4
3
1
1
1
1
19
14
17
9
14
21
10
11
16
9
*
*
*
*
n'a pas effectué un tour complet
n'a pas effectué un tour complet
1,8
14
1,14 4,243
Tableau 9: Données de la première expérimentation.
N S: nombre de segments, E: écart par rapport à la solution, T: temps total, N E: nombre d’essais, T En: temps
du dernier essais, Nb AR : nombre d’aller retour, Nb C : nombre de cran parcouru, Nb M : nombre de main
tenant le stylet, Su : surévaluation du nombre de segment, So : Sous-évaluation du nombre de segment, sV :
nouvel essais sans verbalisation.
64/70
10.2 Annexe 2: données de la deuxième expérience.
S
S1
S1
S1
S1
S1
S1
S2
S2
S2
S2
S2
S2
S3
S3
S3
S3
S3
S3
S4
S4
S4
S4
S4
S4
S5
S5
S5
S5
S5
S5
S6
S6
S6
S6
S6
S6
S7
S7
S7
S7
S7
S7
S8
S8
S8
S8
S8
S8
S9
S9
S9
S9
S9
S9
F
1
2
3
4
5
6
2
4
5
6
3
1
4
3
2
5
6
1
3
4
2
1
5
6
3
1
6
5
2
4
2
5
3
6
1
4
4
5
3
2
1
6
4
2
1
5
6
3
6
5
3
1
4
2
Ec 1
0
-25
0
0
-45
0
-25
0
0
0
0
0
0
0
20
0
0
0
0
0
-25
-10
0
45
0
0
0
0
-25
0
-25
0
0
0
0
0
0
0
45
20
0
0
0
20
0
0
-15
0
0
0
15
-10
0
20
Ec 2
-55
0
0
-35
0
-10
45
-35
0
-10
0
35
-35
0
45
0
35
35
0
10
45
-10
0
35
0
35
-10
0
-45
35
0
0
0
-10
0
-35
-45
15
0
0
-10
-35
0
0
0
35
10
-10
0
-45
0
0
0
T
28
35
24
23
15
25
44
17
39
23
9
33
55
74
23
25
52
59
73
22
13
35
15
30
35
7
18
19
10
19
67
25
24
12
9
18
120
34
96
13
13
20
73
31
53
20
20
14
60
63
25
41
18
26
Nb 1
5
3
6
3
1
3
1
3
2
1
1
2
4
5
1
5
3
12
9
4
2
6
2
2
4
3
4
6
2
8
3
2
1
1
1
1
9
2
2
1
3
3
2
2
3
3
2
2
3
4
3
3
2
4
Nb 2
7
11
4
1
3
3
3
4
2
2
1
2
4
3
1
1
2
8
6
3
2
5
2
4
4
1
7
5
2
7
3
1
2
1
1
1
10
6
6
3
1
1
2
2
3
1
2
4
2
8
2
3
2
3
Nb P
6
1
1
1
1
2
1
2
1
1
1
1
3
3
1
1
2
8
9
2
2
4
1
1
4
1
2
5
2
7
2
1
1
1
1
1
9
2
2
1
1
1
2
2
2
1
1
1
2
4
2
3
2
3
T1
15
12
24
23
15
25
28
10
25
23
6
15
43
13
14
25
52
59
73
5
13
26
9
8
35
7
18
19
10
19
52
14
24
3
7
3
80
22
96
4
9
17
73
31
53
20
20
14
60
63
25
41
18
20
T2
28
35
24
23
15
25
44
17
39
6
9
33
55
74
23
25
52
59
47
17
13
35
15
30
35
7
18
19
10
19
67
25
6
12
9
18
34
93
13
13
20
73
51
53
20
20
14
15
57
25
41
18
26
Tableau 10 : Données de la seconde expérimentation.
S : sujet, N : numéro de figures, Ec 1 : ecart en degré de la réponse par rapport au segment 1, Ec 2 : ecart en
degré de la réponse par rapport au segment 2, T : temps de réponse, Nb 1 : nombre de passage sur le segment
1, Nb 2 : nombre de passage sur le segment 2, Nb P : nombre de passage d’un segment à l’autre, T1 : temps de
réponse pour le segment 1, T2 : temps de réponse pour le segment 2.
65/70
10.3 Annexe 3 : données de la troisième expérience.
S
S1
S1
S1
S1
S1
S1
S1
S1
S2
S2
S2
S2
S2
S2
S2
S2
S3
S3
S3
S3
S3
S3
S3
S3
S4
S4
S4
S4
S4
S4
S4
S4
S5
S5
S5
S5
S5
S5
S5
S5
S6
S6
S6
S6
S6
S6
S6
S6
P
1A
2A
3A
4A
1B
2B
3B
4B
1A
2A
3A
4A
1B
2B
3B
4B
1A
2A
3A
4A
1B
2B
3B
4B
1A
2A
3A
4A
1B
2B
3B
4B
1A
2A
3A
4A
1B
2B
3B
4B
1A
2A
3A
4A
1B
2B
3B
4B
T
21
15
26
11
20
20
15
38
18
23
39
17
40
55
38
38
21
27
35
120
21
28
21
30
6
41
62
100
23
28
61
27
6
55
34
120
15
30
22
37
13
29
28
41
22
26
15
87
Nb A
5
1
2
1
1
1
1
1
3
2
2
2
4
1
1
1
2
1
2
4
1
1
1
1
1
2
2
3
1
1
1
1
1
3
2
1
Nb B
2
2
3
2
1
1
1
2
2
4
5
2
1
1
1
1
1
2
2
9
1
1
1
1
1
4
11
16
1
1
3
2
1
7
6
16
1
1
1
1
2
2
2
4
1
1
1
3
Nb C
1
2
2
1
1
1
1
1
1
2
2
1
1
1
1
1
1
2
1
2
1
1
1
1
1
3
2
1
1
1
1
1
1
5
3
0
1
1
1
1
2
4
2
4
1
1
1
2
1
1
1
1
1
2
3
1
1
1
1
1
Nb D
0
1
4
0
0
1
1
0
1
1
3
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
4
3
0
1
4
0
0
1
2
6
0
1
1
0
0
1
2
2
0
1
1
1
Nb E
Nb F
1
1
Nb Cercle
3
0
0
0
0
0
1
1
4
0
0
0
0
0
0
0
0
2
0
0
0
0
2
1
10
5
0
0
3
0
4
2
5
6
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
Tableau 11 : Résultat de la troisième expérimentation partie 1
S : sujet, F : numéro des figures, le A signifiant sans molette, le B avec molette, T : temps pour effectuer le
parcours, Nb A : nombre de passage au point A..., Nb Cercle : nombre de passage dans le cercle.
66/70
S
S7
S7
S7
S7
S7
S7
S7
S7
S8
S8
S8
S8
S8
S8
S8
S8
S9
S9
S9
S9
S9
S9
S9
S9
P
1A
2A
3A
4A
1B
2B
3B
4B
1A
2A
3A
4A
1B
2B
3B
4B
1A
2A
3A
4A
1B
2B
3B
4B
T
17
61
37
53
30
35
51
24
49
48
20
120
28
37
34
99
7
80
62
120
54
43
16
24
Nb A
Nb B
2
2
2
3
1
1
1
1
5
2
2
4
2
1
1
1
1
3
2
1
1
1
1
1
1
8
3
6
1
1
1
1
2
6
2
12
2
1
1
2
1
6
6
8
1
1
1
1
Nb C Nb D
0
1
1
2
1
1
2
1
0
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
3
1
1
2
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4
3
1
0
0
0
1
1
1
1
1
0
1
Nb E
Nb F
0
0
Nb Cercle
2
0
0
0
0
0
3
0
0
2
0
0
0
0
4
2
7
1
0
0
0
0
Tableau 12 : Résultat de la troisième expérimentation partie 2.
S : sujet, F : numéro des figures, le A signifiant sans molette, le B avec molette, T : temps pour effectuer le
parcours, Nb A : nombre de passage au point A..., Nb Cercle : nombre de passage dans le cercle.
67/70
10.4 Annexe 4 : questionnaire enfants.
Prénom :.........................................................................................................
Age :...........
Sexe :..........
Niveau Scolaire :...........................................
Handicap :
Précoce
/
Tardif
age :............
Restes visuels : ....................................................
Expérience du toucher et de la géométrie :
As-tu déjà participé à des expérimentations avec le bras Phantom ?
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
..................................................................................................................
Quels matériels utilises-tu pour apprendre la géométrie ?
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
..................................................................................................................
Expérience informatique :
Possèdes-tu un ordinateur à la maison ?..........................................................
Quels logiciels utilises-tu ?.................................................................................
Utilises-tu la synthèse vocale ?...........................................................................
Utilises-tu une tablette braille ?.........................................................................
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Répartition des erreurs : en rouge les
erreurs commisent sur le segment 1 (le
premier segment en partant du segment S
dans le sens des aiguilles d’une montre).
En vert les erreurs sur le deuxième
segment. Le chiffre indiqué au bout du
segment de couleur correspond au
nombre d’erreur
10.5 Annexe 5 : répartition des erreurs dans la seconde
expérimentation.
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70/70

Mémoire () - Université Paris 8

Transcription

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