Exploitation de mod`eles et réalité virtuelle Résumé

Référence : Tisseau J., Reignier P., Harrouet F., Exploitation de modèles et Réalité Virtuelle,
Actes des 6èmes journées du groupe de travail Animation et Simulation 6:13-22, 1998
Exploitation de modèles et réalité virtuelle
J. Tisseau, P. Reignier, F. Harrouet
Laboratoire d’Informatique Industrielle
Ecole Nationale d’Ingénieurs de Brest
Technopôle Brest-Iroise
CP 15, 29608 Brest Cedex
[tisseau,reignier,harrouet]@enib.fr
Résumé
Le terme équivoque de réalité virtuelle relève d’un procédé rhétorique, appelé oxymoron,
qui consiste à réunir deux mots qui semblent incompatibles ou contradictoires; ce type
de construction donne ainsi à l’expression un caractère inattendu qui, il faut bien en
convenir, est plus médiatique que scientifique. Pour préciser ce que nous entendons par
réalité virtuelle, nous considérons ici la réalité virtuelle du point de vue de l’exploitation
des modèles qu’elle manipule en adoptant une démarche systémique.
Un modèle est une représentation artificielle d’un phénomène ou d’une idée; c’est une
étape intermédiaire entre le sensible et l’intelligible, entre le phénomène et son idéalisation,
entre l’idée et sa perception. Cette représentation repose sur un système de symboles
qui ont un sens, non seulement pour le concepteur qui les agence, mais également pour
l’utilisateur qui les perçoit, la sémantique de l’utilisateur étant éventuellement différente
de celle du concepteur. L’approche systémique aborde l’étude des modèles à travers trois
filtres différents : elle pondère un point de vue ontologique (ce qu’EST le modèle), un
point de vue fonctionnel (ce que FAIT le modèle), et un point de vue génétique (ce que
DEVIENT le modèle).
• Ce qu’EST le modèle, c’est ce que l’utilisateur perçoit en observant l’activité du
modèle à l’aide de l’ensemble de ses canaux sensoriels; c’est le domaine de l’animation temps réel.
• Ce que FAIT le modèle, c’est ce que l’utilisateur découvre en testant la réactivité
du modèle à travers l’expérimentation du modèle; c’est le domaine de la simulation
interactive.
• Ce que DEVIENT le modèle, c’est ce que l’utilisateur produit en modifiant lui-même
le modèle avec le même pouvoir d’expression que le concepteur; c’est le domaine de
la modélisation en ligne.
Du point de vue de l’exploitation des modèles, la réalité virtuelle regroupe ainsi l’ensemble
des méthodes et des outils permettant, par immersion, de percevoir, expérimenter et
modifier des modèles, en temps réel, de manière interactive et coopérative; ce qui confère
à la réalité virtuelle un statut d’ingénierie des modèles.
1
1
Introduction
L’expression anglo-saxonne virtual reality fut proposée en 1989 par Jaron Lanier, alors
responsable de la société VPL Research, spécialisée dans les périphériques de réalité
virtuelle.
Mais que signifie cette expression ?
En anglais, selon le BBC Dictionary :
Virtual means that something is so nearly true that for most purposes it can
be regarded as true.
Virtual also means that something has all the effect and consequences of a
particular thing, but is not officially recognized as being that thing.
BBC English Dictionary, HaperCollins Publishers, 1992
une virtual reality est une quasi-réalité qui a l’apparence et le comportement d’une reality
mais qui n’en est pas une : il s’agit plutôt d’un ersatz ou d’un succédané de réalité.
La traduction littérale de l’expression anglo-saxonne donne l’expression “réalité virtuelle” et devient comme l’a souligné C. Cadoz dans son essai sur les réalités virtuelles,
une expression absurde et inepte [Cadoz 94]. En effet, selon le petit Robert :
Virtuel : qui a en soi toutes les conditions essentielles à sa réalisation.
Dictionnaire Le petit Robert, Editions Le Robert, 1992
une réalité virtuelle est une réalité qui a en soi toutes les conditions à sa réalisation !
Ainsi, de l’anglais au français, le terme de réalite virtuelle est devenu équivoque. Il
relève d’un procédé rhétorique, appelé oxymoron, qui consiste à réunir deux mots qui
semblent incompatibles ou contradictoires; ce type de construction donne à l’expression
un caractère inattendu qui, il faut bien en convenir, est plus médiatique que scientifique.
Par leurs différents travaux, les scientifiques et les professionnels de la réalité virtuelle
ont donné un sens plus précis et surtout plus opérationnel à cette expression; on peut
le résumer par cette définition consensuelle : “ensemble d’outils logiciels et matériels
permettant de simuler de manière réaliste une interaction avec des objets virtuels qui
sont des modélisations informatiques d’objets réels”1 . Cet article s’inscrit dans cette
réflexion générale, et se propose de préciser ce que nous entendons par “réalite virtuelle”
en adoptant un point de vue systémique qui resitue la réalité virtuelle par rapport à
l’exploitation des modèles qu’elle manipule.
2
Le sens des mots
Le mot “réel” vient du latin res, la chose. Une réalité est une chose qui existe; elle
a pour principales caractéristiques la résistance (elle est subie, elle nous résiste) et la
permanence (elle revient sans cesse). Mais qu’est-ce qu’une chose, et en quoi existe-telle ? Ces interrogations sont sans doute aussi anciennes que la philosophie elle-même,
1
Groupe de Travail “Réalité Virtuelle” du CNRS et du Ministère de l’Education Nationale (GT-RV)
: http://www.inria.fr/epidaure/GT-RV/gt-rv.html
2
et c’est pourquoi cette notion de réalité, à la fois intuitive et complexe, est revisitée
régulièrement par les philosophes et les scientifiques.
Le mot “virtuel”, du latin virtus (vertu, force), qualifie la chose en puissance, qui a
en soi toutes les conditions de son actualisation; en ce sens le virtuel s’oppose à l’actuel,
ici et maintenant, qui est en acte et non en puissance. Cette acception du virtuel, qui
remonte au Moyen Age, est analysée en détail par Pierre Lévy [Lévy 95]. Aujourd’hui,
l’adjectif “virtuel” a été substantivé : on dit “le virtuel” comme on parle du “réel”, et cette
évolution s’accompagne d’un changement de sens qui rend moins nette l’opposition entre
le virtuel et l’actuel [Noël 98]. L’appropriation grandissante du terme “virtuel” par toutes
les sphères de la société, des scientifiques aux philosophes, des artistes au grand public,
provoque des glissements de sens qui ne semblent pas encore stabilisés et qui renouvellent
le concept même de réalité. Nous choisirons de nous appuyer sur la notion de virtuel en
sciences physiques pour préciser notre conception d’une réalité qui soit virtuelle.
2.1
Le réel des philosophes
Depuis Platon et sa célèbre allégorie de la caverne2 , Descartes et son “je pense donc je
suis”3 , jusqu’au physicien Bernard d’Espagnat et son “réel voilé” issu de son interprétation
de la physique quantique [d’Espagnat 94], tous oscillent entre deux attitudes extrêmes.
La première attitude, objectiviste, affirme que les choses existent indépendamment de
nous-mêmes : il existe une réalité objective indépendante des conditions sensibles, instrumentales et intellectuelles de sa manifestation. La seconde attitude, subjectiviste,
rapporte tout à la pensée subjective, de sorte qu’il est vain de discuter de la véritable
nature des choses : la réalité n’est qu’un artefact. Et le jeu des oppositions entre ces deux
points de vue enrichit la réflexion; chacun y trouve son point d’équilibre, entre l’objet et
la conscience qui le perçoit [Hamburger 95].
Sans entrer dans ce débat, notons que c’est par l’intermédiaire de nos sens et de
notre esprit que nous appréhendons le monde. Certes, les sens ne nous préservent pas
d’illusions, de mirages ou d’hallucinations, de même que les idées peuvent être arbitraires, désincarnées ou schizophréniques; cependant ces deux approches du sensible et
de l’intelligible sont nos seuls moyens d’investigation du réel. Les sens peuvent être
trompeurs, aussi l’esprit imagine-t-il des actions pour améliorer sa compréhension du
monde; ces actions provoquent des réactions au niveau des sens qui permettent en retour
d’éviter la désincarnation des idées. Chacun se construit ainsi sa réalité par des allersretours continuels entre sens et imagination; les sciences tentent elles d’en donner une
représentation universelle la plus dégagée des illusions individuelles.
Quel que soit le statut de la “chose en soi” — existe-t-elle, ou non, indépendamment
de l’homme qui la perçoit — trois types de médiation interviennent entre le monde et
l’homme [Quéau 95] : la médiation des sens (le monde perçu), la médiation de l’action (le
monde expérimenté) et la médiation de l’esprit (le monde représenté). Ces trois médiations
sont indissociables et constituent trois points de vue d’une même réalité (figure 1).
En tant que réalité, la réalité virtuelle doit donc permettre cette triple médiation des
sens, de l’action et de l’esprit. Autrement dit, on doit pouvoir répondre par l’affirmative
2
3
Platon, La république, Livre VII.
Descartes R., Discours de la méthode, Livre IV.
3
Sens
•
Action
•
A
A
¢
A
A
¢
¢
¢
A
Réalité
A
A
¢
¢
¢
¢
A
¢
A
A
¢
¢
A
¢
A
¢
A
¢
A
A•¢
Esprit
Figure 1: Les trois médiations du réel
aux trois questions suivantes :
1. Est-elle accessible à nos sens ?
2. Réagit-elle à nos sollicitations ?
3. En avons-nous une représentation modifiable ?
2.2
Le virtuel des physiciens
Les physiciens qualifient de “virtuel” un certain nombre de concepts : images virtuelles
en optique, travaux virtuels en mécanique, processus virtuels d’échange en physique des
particules, ... autant de modèles dont les pouvoirs explicatif et prédictif sont largement utilisés pour faire progresser la connaissance des phénomènes qu’ils cherchent à
représenter. En fait, cette notion de virtuel semble accompagner la mathématisation des
sciences physiques depuis le 17ème siècle. Le formalisme mathématique utilisé en physique
devenant de plus en plus inaccessible au langage ordinaire, il se met de fait hors de portée
d’une représentation intuitive. On est alors conduit à utiliser des analogies, des images et
des mots, sur ce qui n’est pleinement saisissable que sous la forme d’un calcul; ces notions
intermédiaires, bien qu’insuffisantes pour être pleinement crédibles, éclairent néanmoins
la démarche du physicien [Omnès 95]. Illustrons-le sur l’exemple des images virtuelles et
des objets virtuels de l’optique géométrique.
Comme dans la plupart des disciplines anciennes, les fondements de l’optique géométrique reposent sur des concepts directement issus du sens commun et acquis de l’expérience
journalière. Il en va ainsi de la notion de rayon lumineux, de la propagation rectiligne et
4
du principe du retour inverse. Ces notions sont si bien ancrées en nous-mêmes4 , tellement
efficaces dans la perception usuelle de notre environnement, qu’elles nous font commettre
des erreurs d’interprétation qui sont à l’origine de certaines illusions ou mirages. Ces
illusions sont en fait des solutions que propose le cerveau après simulation du trajet suivi
par la lumière : il “parcourt” le trajet en sens inverse (principe du retour inverse), en
ligne droite (propagation rectiligne), en ignorant les dioptres et les miroirs (ni réfraction, ni
réflexion), et en supposant le milieu homogène ! De fait, chaque matin, nous voyons notre
I
O
I
O
Terre
I
a) miroir
b) courbure des rayons
c) mirage
Figure 2: Illusions de l’optique géométrique
image derrière le miroir alors qu’il n’y a rien, sinon une image mentale construite par notre
cerveau . . . qui a “oublié” les lois de la réflexion (figure 2a). Par beau temps sec et clair,
on peut apercevoir une ı̂le “derrière” l’horizon. Les variations de densité avec l’altitude au
sein de l’atmosphère en font un milieu non homogène, qui provoque la courbure des rayons
lumineux; si cette variation de densité est suffisamment importante, la courbure infligée
aux rayons lumineux peut effectivement faire “apparaı̂tre” l’ı̂le au-dessus de l’horizon
(figure 2b). Les mirages sont des illusions du même type (figure 2c). Les couches d’air
voisines du sol peuvent devenir moins denses que les couches supérieures du fait d’un
échauffement local : elles provoquent alors une courbure des rayons se propageant vers
le sol. L’observation simultanée d’un objet O en vision directe et d’une image I due à
la courbure de certains rayons, peut alors s’interpréter par la présence d’une nappe d’eau
dans laquelle l’objet O se refléterait.
Ces illusions sont “réelles” au sens où des images réelles impressionnent notre rétine;
elles sont “virtuelles” au sens où l’interprétation que nous faisons de ces images réelles
nous conduit à supposer l’existence d’objets virtuels qui sont le résultat de constructions
géométriques inadéquates. L’interprétation est le résultat d’une simulation de la construction de l’image, pour laquelle le cerveau, tel un étudiant inexpérimenté, n’aurait pas
vérifié les conditions d’application du modèle qu’il utilise (ici, un modèle de propagation
rectiligne de la lumière dans un milieu transparent et homogène).
Les images virtuelles et les objets virtuels de l’optique sont des vues de l’esprit. Les
images de la réalité virtuelle ne sont pas virtuelles. Ce sont essentiellement des images
de synthèse, produites par ordinateur, qui comme toute image, reproduisent une réalité
du monde physique ou visualisent une abstraction mentale. Elles se matérialisent sur
les écrans de nos terminaux et sont donc, au sens des opticiens, des images réelles. Par
contre, elles nous donnent à voir des objets virtuels, et c’est la qualité du rendu visuel qui
4
Les neurophysiologistes diraient qu’elles sont codées dans notre système neuronal, les électroniciens
qu’elles sont cablées, les informaticiens qu’elles sont compilées, . . .
5
provoque l’illusion du réel.
Ainsi, comme les illusions de l’optique géométrique, la réalité virtuelle met en scène
des objets virtuels, et pour mieux les appréhender, il nous faut, comme l’héroı̈ne de Lewis
Carroll5 , traverser le miroir, passer de l’autre côté et entrer dans l’univers des modèles.
3
Univers des modèles
D’après ce qui précède, une réalité virtuelle peut être assimilée à un univers de modèles
(le virtuel des physiciens) que l’opérateur humain doit percevoir, expérimenter et modifier
(les trois médiations du réel des philosophes).
3.1
Modèles
Un modèle est une représentation artificielle d’un phénomène ou d’une idée; c’est une étape
intermédiaire entre l’intelligible et le sensible, entre le phénomène et son idéalisation, entre
l’idée et sa perception. Cette représentation repose sur un système de symboles qui ont un
sens, non seulement pour le concepteur qui les assemble, mais également pour l’utilisateur
qui les perçoit, la sémantique du point de vue utilisateur étant éventuellement différente
de celle du modélisateur.
Les fonctions d’un modèle sont multiples. Pour le modélisateur, le modèle permet
d’imaginer, de concevoir, de prévoir et d’améliorer sa représentation du phénomène ou de
l’idée qu’il cherche à modéliser. Le modèle devient un support de communication pour
représenter, sensibiliser, expliquer ou enseigner les concepts concernés. A l’autre bout de
la chaı̂ne, le modèle aide l’utilisateur dans sa compréhension du phénomène (ou de l’idée)
représenté(e); il peut également l’évaluer, et l’expérimenter.
On distingue classiquement trois grands types de modèle :
1. le modèle littéral – un texte – à fort contenu informationnel,
2. le modèle physique – une maquette – à fort contenu sensible par expérimentation,
et dont la conception repose sur l’analogie avec le système à modéliser,
3. le modèle numérique – un système d’équations – à fort contenu évaluable et modifiable par le calcul.
C’est bien entendu ce dernier type de modèle qui nous intéresse ici. Il peut lui-même
être subdivisé en trois grandes catégories [Arnaldi 94] :
(a) le modèle descriptif qui reproduit les effets du phénomène modélisé sans aucune connaissance a priori sur les causes (surfaces géométriques, cinématique
inverse, . . . ),
(b) le modèle causal qui décrit les causes capables de produire un effet (rigides
poly-articulés, éléments finis, masses-ressorts, . . . ),
(c) le modèle comportemental qui imite le fonctionnement des êtres vivants selon
un cycle perception/décision/action (vie artificielle, animat, . . . ).
5
Lewis Carroll, De l’autre côté du miroir, 1872, réédité dans “Tout Alice”, Flammarion, Paris, 1979
6
Mais quel que soit le type de modèle considéré, la réalité virtuelle doit être capable de
l’exploiter dans la mesure où les trois médiations des sens, de l’action et de l’esprit sont
disponibles.
3.2
Exploitation de modèles
La perception, l’expérimentation et la modification constituent les trois modes principaux
d’exploitation des modèles. Ils correspondent chacun à une médiation du réel différente.
La médiation des sens passe par la perception du modèle : l’utilisateur observe
l’activité du modèle à travers l’ensemble de ses canaux sensoriels. Ainsi en va-t-il du spectateur d’un cinéma dynamique qui, face à un écran hémisphérique dans une salle dotée
d’un système de son spatialisé, et assis sur un siège monté sur verins, a une véritable
sensation d’immersion participative dans le film d’animation qu’il perçoit, et ce bien qu’il
ne puisse en modifier le cours. La qualité des rendus sensoriels et de leur synchronisation
est ici primordiale : c’est le domaine privilégié de l’animation temps réel. Dans son acception la plus courante, animer c’est mettre en mouvement. Dans le cadre plus restreint
du film d’animation, animer c’est donner l’impression du mouvement en faisant défiler
une collection ordonnée d’images (dessins, photographies, images de synthèse, . . . ). La
production de ces images est obtenue par application d’un modèle d’évolution des objets
de la scène représentée.
La médiation de l’action met en jeu l’expérimentation du modèle : l’utilisateur teste
la réactivité du modèle à l’aide de manipulateurs adaptés. Ainsi en va-t-il du pilote de
chasse aux commandes d’un simulateur de vol : sa formation est essentiellement axée
sur l’apprentissage du comportement réactif de son appareil. Fondée sur le principe de
l’action et de la réaction, l’accent est mis ici sur la qualité du rendu temporel : c’est
le domaine d’excellence de la simulation interactive. Au sens usuel, simuler c’est faire
paraı̂tre comme réel ce qui ne l’est pas. Dans les disciplines scientifiques, la simulation
est une expérimentation sur un modèle; elle permet de tester la qualité et la cohérence
interne du modèle en confrontant ses résultats à ceux de l’expérimentation sur le système
modélisé. Elle est aujourd’hui de plus en plus souvent mise en œuvre pour étudier des
systèmes complexes où intervient l’homme, aussi bien pour former des opérateurs que
pour étudier les réactions d’utilisateurs. Dans ces simulations où “l’homme est dans la
boucle”, l’opérateur apporte ainsi son propre modèle comportemental qui interagit alors
avec les autres modèles.
La médiation de l’esprit intervient lorsque l’utilisateur modifie lui-même le modèle en
disposant d’une expressivité équivalente à celle du modélisateur. Ainsi en va-t-il d’un
opérateur qui effectue une reconfiguration partielle d’un réseau de télécommunication
pendant que le reste du réseau demeure opérationnel. C’est le domaine en pleine expansion du prototypage interactif et de la modélisation en ligne pour lesquels la facilité d’intervention et le pouvoir d’expression sont essentiels. Pour obtenir ce niveau
d’expressivité, l’utilisateur dispose en général des mêmes interfaces et surtout du même
langage interprété que le modélisateur.
Ainsi, les disciplines connexes de l’animation temps réel, de la simulation interactive
et de la modélisation en ligne représentent trois facettes de l’exploitation des modèles et
permettent, à elles trois, la triple médiation du réel nécessaire en réalité virtuelle.
7
3.3
Modélisation systémique
La systémique, ou sciences des systèmes, s’est développée à partir de 1945, au sein des
sciences de l’ingénieur (avec notamment la cybernétique de N. Wiener) et des sciences
de la vie (avec notamment la théorie des systèmes ouverts de L. von Bertalanffy). Elle a
pour but l’étude des systèmes considérés comme des représentations de phénomènes actifs,
perçus identifiables par leurs projets dans un environnement actif, dans lequel ils fonctionnent et se transforment téléologiquement [Le Moigne 90]. La modélisation systémique
se distingue de la modélisation analytique essentiellement sur les points suivants :
• elle implique le modélisateur : un modèle se définit par rapport aux intentions de
son concepteur;
• elle considère des systèmes ouverts : un système est toujours en relation avec un
environnement, lui-même actif;
• elle repose sur un principe de compréhension téléologique selon lequel la compréhension d’un modèle dépend de la finalité qui lui est attribuée par le modélisateur.
Ainsi, aux concepts familiers de la démarche analytique : évidence, objet, décomposition
et explication causale, la démarche systémique substitue respectivement les concepts de
pertinence, de projet, d’articulation et de compréhension téléologique.
D’un point de vue plus opérationnel, l’approche systémique aborde l’étude des systèmes à travers trois filtres différents. Elle pondère un point de vue ontologique : ce
qu’EST le système, un point de vue fonctionnel : ce que FAIT le système, et un point de
vue génétique : ce que DEVIENT le système (figure 3).
Passée au crible de ces trois filtres, la notion de modèle en réalité virtuelle s’apparente
à celle de système en modélisation systémique (figure 4).
• Ce qu’EST le modèle, c’est ce que l’utilisateur perçoit en observant l’activité du
modèle à travers l’ensemble de ses canaux sensoriels; c’est le domaine de l’animation
temps réel.
• Ce que FAIT le modèle, c’est ce que l’utilisateur découvre en testant la réactivité
du modèle par l’expérimentation; c’est le domaine de la simulation interactive.
• Ce que DEVIENT le modèle, c’est ce que l’utilisateur produit en modifiant lui-même
le modèle avec le même pouvoir d’expression que le concepteur; c’est le domaine de
la modélisation en ligne.
4
Conclusion
En se rattachant aux sens des mots “réalité” et “virtuel”, la réalité virtuelle apparaı̂t
comme un univers de modèles qui autorise la triple médiation du réel, à savoir la médiation
des sens, de l’action et de l’esprit. Cette conception systémique de la réalité virtuelle
regroupe l’animation temps réel, la simulation interactive et la modélisation en ligne,
8
ce qu’EST le système
point de vue ontologique
•
ce que FAIT le système
point de vue fonctionnel
•
A
¢
¢
A
A
¢
A
¢
¢
A
A
¢
Système
A
¢
¢
A
A
¢
¢
A
¢
A
A
¢
¢
A
¢
A
¢
A
¢
A
A•¢
point de vue génétique
ce que DEVIENT le système
Figure 3: Approche systémique (d’après [Le Moigne 77])
Expérimentation du modèle
ce que FAIT le modèle
simulation interactive
•
Perception du modèle
ce qu’EST le modèle
animation temps réel
•
A
A
A
¢
¢
¢
A
A
A
¢
¢
Modèle
A
¢
A
A
¢
¢
¢
A
A
A
¢
¢
¢
A
¢
¢
A
A
¢
A
¢
A•¢
modélisation en ligne
ce que DEVIENT le modèle
Modification du modèle
Figure 4: Réalité virtuelle et approche systémique
9
comme trois facettes inséparables de l’exploitation des modèles; ce qui confère à la réalité
virtuelle un statut d’ingénierie des modèles.
La réalité virtuelle regroupe ainsi l’ensemble des méthodes et des outils permettant,
par immersion multisensorielle, de percevoir, expérimenter et modifier des modèles, en
temps réel, de manière interactive et coopérative [Reignier 98, Rodin 98].
References
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à diriger des recherches, Université de Rennes 1, 18 février 1994
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