Etat de l’art

1. Définitions

Deux définitions sont admises pour caractériser la réalité augmentée.

L’une d’elles a été énoncée par Ronald Azuma, chercheur à l’université de Caroline du Nord, en 1997 dans une étude présentant les nombreuses innovations à venir dans ce domaine. La définition d’Azuma considère qu’un système de réalité augmentée doit respecter trois règles fondamentales [1] :

  1. Combiner le réel et le virtuel
  2. Interagir de manière interactive (en temps réel)
  3. Être enregistré en 3 dimensions

Cette définition exclut donc les simples collages en deux dimensions qui ne respectent pas la cohérence 3D, ainsi que la composition en post-production ( effets spéciaux par exemple ) qui ne sont pas en temps réel.

La seconde, plus ancienne de 3 ans, a été définie par Paul Milgram et Fumio Kishino et baptisée sous le nom de Continuum de Réalité-Virtuelle de Milgram [2] ( un continuum est un ensemble d’éléments tels que l’on peut passer de l’un à l’autre de façon continue ). Ce dernier relie le réel à l’environnement purement virtuel en ne les considérant pas comme opposés mais complémentaires. Cela introduit le terme de réalité mixte et les deux notions de réalité augmentée (plus près de l’environnement réel) et de virtualité augmentée (plus près de l’environnement virtuel).

Le concept de réalité augmentée vise donc à compléter notre perception du monde réel, en y ajoutant des éléments fictifs, non perceptibles naturellement. Ce concept est rendu possible par un système capable de faire coexister spatialement et temporellement un monde virtuel avec l’environnement réel.

Cette coexistence a pour objectif l’enrichissement de la perception de l’utilisateur de son environnement réel par des augmentations visuelles, sonores ou haptiques – néanmoins la superposition d’images virtuelles aux images réelles reste actuellement le domaine le plus répandu.

La réalité augmentée est interdisciplinaire et s’appuie sur le traitement du signal, la vision artificielle, la synthèse d’images, les interfaces homme-application et les technologies nomades. Ses applications sont multiples et touchent de plus en plus de domaines, qui seront détaillés dans la suite après un bref historique.

2. Historique

1966: Ivan Sutherland invente le premier casque qui combine la vue de la réalité et une image de synthèse [3]. L’affichage était effectué par des tubes cathodiques miniatures et le suivi des mouvements de la tête était assuré par un bras mécanique lié au casque.

1975: Myron Krueger créée Videoplace, un dispositif permettant aux utilisateurs d’interagir avec des objets virtuels via une caméra et un projecteur.

1979: McDonnell Douglas développe un casque projetant des informations utiles pour les pilotes de chasse directement sur leur visière [4].

1997: Steve Feiner présente la Touring Machine, le premier système itinérant de réalité augmentée combinant un affichage sur les lunettes à la vue réelle. Le système intègre un GPS et un acces internet par ondes radio.

1999: Hirokazu Kato met à disposition ARToolkit, la première librairie open-source et multi-plateformes dédiée à la création d’interfaces de réalité augmentée.

2000: Bruce H. Thomas développe ARQuake, le premier jeu basé sur la réalité augmentée, permettant de jouer à Quake dans un univers réel grâce à la combinaison de caméras, capteurs et GPS.

2008-2009: Lancement de Wikitude Drive, système de navigation AR pour plateformes Android basé sur NyARToolkit. Il s’agit là de la première application nomade de réalité augmentée disponible pour le grand public. Peu après, des applications similaires furent mises à disposition sur l’iPhone d’Apple.

3. Domaines d’utilisation

A l’heure actuelle, la réalité augmentée se démocratise à grande vitesse sur internet. C’est un plus commercial car l’internaute se retrouve dans son univers avec les produits que les sociétés lui proposent. Les applications développées sont adaptées aux jeunes comme aux adultes. Les plateformes utilisées sont également différentes. Une des plus utilisée est ARToolkit et son plugin FLARToolkit qui permet de développer des applications directement avec Adobe Flash.

Pour autant, ces dernières ne constituent qu’une partie de l’utilisation du principe de réalité augmentée. En effet, la médecine, l’armée et l’industrie en ont été les pionniers dans des domaines d’assistance ou d’aide à la décision.

3.1. Médical

Dans ce domaine, les utilisations de la réalité augmentée sont de deux types. Le premier consiste à faciliter les soins et le second à les rendre possibles. En effet, certaines opérations ne sont possibles qu’avec l’aide de la réalité augmentée, certains risques étant fortement diminués grâce à une modélisation 3D. Grâce à des technologies non intrusives, il est possible de soigner les patients avec beaucoup de moins de risques (le cancer notamment). Pour le moment, la réalité augmentée permet surtout de valoriser les outils d’imagerie médicale. En revanche, les axes de développement sont multiples. En effet, la réalité augmentée est également susceptible de s’appliquer aux sensations tactiles et auditives.

Voici un exemple avec les outils développés par l’IRCAD (Institut de Recherche contre les Cancers de l’Appareil Digestif). En effet, comme on peut le voir sur les images ci-dessous, il est possible de superposer une modélisation 3D des organes issue d’un scanner ou d’une IRM sur l’image du patient.

3.2. Militaire

Dans le domaine militaire, l’utilisation la plus fréquente est l’ajout d’un affichage tête haute ou Head-Up Display (HUD) intégré à la vitre de l’habitacle ou maintenant directement dans les casques des pilotes. L’affichage tête haute consiste à superposer des informations nécessaires au pilotage, à la navigation ou à la réalisation de la mission sur l’environnement extérieur. Il permet au pilote de surveiller son environnement en même temps que des informations fournies par ses instruments de bord.

La conception de ce type de casque doit répondre à de nombreuses exigences : fiabilité, grande précision, compatibilité avec le cockpit pour le pilotage à vue, poids raisonnable, résistance aux intempéries et aux conditions extrêmes, sécurité.

Cette technologie a par la suite été mise à disposition du grand public dans les voitures haut de gamme avec un affichage tête haute directement sur le pare-brise qui permet de retrouver les informations du tableau de bord sans quitter les yeux de la route. Désormais, combinés à des caméras et autres capteurs, ces systèmes intègrent de nombreuses autres fonctionnalités augmentant la sécurité et le confort ; comme des alertes de franchissement de ligne blanche, de collision, la limitation de vitesse en cours (reconnaissance des panneaux), les informations fournies par un GPS ou même des assistances de parking.

3.3. Industriel

Le but d’utiliser ce principe dans le domaine de l’industrie est évidemment d’améliorer la productivité et de réduire les coûts. De plus, cela permet d’intégrer de nouveaux produits en cours de conception dans leur environnement d’utilisation, comme par exemple insérer une voiture virtuelle dans un trafic réel ou comme ci-dessous un tram dans un modèle de ville miniature positionné à l’aide de marqueurs.

Certaines entreprises développent des outils pour la conception de produits comme des lunettes d’aide à la décision, afin de combiner la vision d’un produit en fabrication avec de nouvelles pièces ou afin de guider l’utilisateur via la superposition d’un manuel de montage à la vue réelle.

3.4. Marketing et commercial

Les commerciaux ont également compris tout l’enjeu que l’on peut tirer de la réalité augmentée. Certaines marques proposent en effet une publicité indirecte en intégrant un marqueur sur un de leur produit, ce dernier permettant de visualiser un contenu 3D sur internet. Ce faisant, elles profitent du phénomène de mode autour de ce principe se révélant très intéressant d’un point de vue financier pour les sociétés. Par ailleurs, il est également possible d’intégrer en temps réel de la publicité à la télévision lors d’événements sportifs retransmis à des emplacements incompatibles avec les affichages standards.

Certaines marques proposent également aux consommateurs d’enrichir leur expérience avant-achat, en intégrant des meubles à son environnement en temps réel ou en essayant virtuellement des vêtements.

3.5. Navigation

Ce domaine est le plus développé pour le grand public, les solutions proposées profitant de l’essor des technologies nomades. En effet, d’abord utilisée sur ordinateur, la technologie de réalité augmentée est aujourd’hui très répandue sur les systèmes embarqués et les téléphones de troisième génération.

La réalité augmentée permet d’enrichir l’expérience de l’utilisateur dans le domaine de la navigation. La géo-localisation permet en effet de superposer des informations sur le lieu où l’on se trouve aux images recueillies par une caméra.

Les applications sont alors diverses : tourisme, astronomie, position du soleil, reconnaissance de bâtiments.

Le support les plus prisés par les concepteurs d’applications restent bien entendu les téléphones dernière génération combinant une caméra, un GPS, une connexion internet haut-débit voire une boussole, comme l’iPhone d’Apple ou les téléphones basés sur la plateforme Android. Les principales problématiques de ces systèmes demeurent l’autonomie.

3.6. Domaine vidéo-ludique

La réalité augmenté permet également d’accroitre l’interaction entre le joueur et la machine et apporter une nouvelle dimension aux jeux vidéos. On peut ainsi imaginer un jeu en réseau dans un environnement réel avec des objets virtuels, ou bien se servir d’objets réels comme support pour un jeu de plateau virtuel.

Cette technologie trouve enfin sa place lors de retransmissions sportives, où des systèmes permettent de fournir en temps réel des informations utiles au spectateurs comme la ligne virtuelle du record à battre ou l’affichage de la ligne de « scrimmage » lors d’un match de football américain.