Il existe différents casques de réalité virtuelle tel que l'Oculus Rift, le HTC Vive ou encore le Gear VR. Mais tout ces casques VR fonctionnent sur le même principe. Nous allons donc voir plus en détails de leur fonctionnement, en se concentrant principalement sur le côté mécanique de l'appareil, c'est à dire l'optique et l'électronique.

Le fonctionnement général

Les casques de réalité virtuelle sont avant tout des HMD (Head-Mounted Display), c'est à dire des écrans fixés sur la tête. Le problème de ce type d'écran, c'est que l’œil humain n'est pas capable d'effectuer la mise au point sur un objet trop proche de lui, c'est pour cela qu'il est nécessaire d'ajouter des lentilles, positionnées entre les yeux et les écrans.

Le suivi des mouvements corporels est, quand à lui, séparé en deux parties :

-Le suivi rotationnel. Il permet de détecter l'inclinaison de la tête,

-Le suivi positionnel. Il détecte la position de la tête dans l'espace.

L'écran: un défi technologique

Si il y a un élément qui est essentiel sur un casque de réalité virtuelle, c'est bien l'écran. Mais plusieurs problèmes se posent lors du choix de ce composant.

 

1) L'effet d'écran-porte
La proximité de l'écran avec les yeux de l'utilisateur est bien évidemment l'un des problèmes les plus importants des casques de VR. Les écrans sont conçus pour être observés à une distance suffisamment importante pour éviter à l'œil humain d'être capable de discerner les pixels. Une proximité aussi importante cause un problème de SDE (Screen Door Effect), c'est à dire la visualisation de la matrice de pixels, et surtout de leurs séparations. Contrairement à ce que l'on pourrait penser, ce problème n'est pas directement lié à la résolution de l'écran, mais au fait qu'il est impossible de positionner les pixels les uns ''collés'' aux autres. Mais pour que cela soit le moins visible possible, il n'y a pas de solution miracle, il faut réduire l'écart entre les pixels. C'est en cela que l'écran est un vrai défi technologique. Une autre solution proposée par les ingénieurs est de très légèrement flouter la vitre devant l'écran, mais cela demande une grande régularité et comporte des défauts. Une des méthodes actuellement mise en place est l'utilisation d'écrans PenTile. La différence entre ces écrans et les ''classiques'' réside dans le placement des couleurs. En effet, un pixel est en réalité constitué de trois ''barres'' de couleurs primaires (jaune, magenta et cyan), qui s'assombrissent plus ou moins et qui, mélangées l'une à l'autre de part leur proximité, créent ainsi la couleur souhaitée. L'écran PenTile, quand à lui, utilise une architecture de pixels différente. En effet, le vert est deux fois moins large que les autres couleurs, mais se trouve être deux fois plus présent, ce qui équilibre les surfaces des couleurs. L'écart entre chaque couleur devient donc uniforme d'un pixel à l'autre, réduisant énormément l'effet de grille.

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2) La profondeur de noir

Le second problème au quel ont été confrontés les ingénieurs, moins médiatisé mais tout aussi problématique, est la profondeur de noir. En effet, un écran LCD (Liquid Crystal Display), c'est à dire un dispositif d'affichage à cristaux liquides, possède une source de lumière continue. Sur un écran LCD classique, il s'agit d'un ou deux néon se trouvant derrière la dalle de pixels. Sur un écran LED ou, en français, DEL (Diode Électro-Luminescente), la lumière est produite par des LED se trouvant, soit uniquement sur les bords de l'écran, appelé donc ''EDGE LED'', dans ce cas, l'éclairage est très semblable à la technologie néon et il s'agit avant tout d'un argument commercial, soit sur l'ensemble de l'écran, appelé, quand à lui, ''FULL LED'' et permettant ainsi de créer plusieurs zones de contrastes différentes. Les pixels sont donc en réalité des filtres à opacité variable. Si le filtre se trouvant devant le rouge, par exemple, devient complètement transparent, et que les autres couleurs deviennent complètement opaques, le pixel sera rouge vif. Pour faire du noir, il faut donc rendre tout les filtres opaques, afin de ne laisser passer aucune lumière. Mais en réalité, le pixel ne pourra jamais être complètement opaque, le rétro éclairage étant très vif, le noir ne peut pas être ''profond''. Il apparaît donc gris foncé. Pour essayer régler le problème, on peut utiliser un écran LCD FULL-LED, mais cela reste encore assez imparfait. Bien heureusement, les ingénieurs ont développé une autre technologie: L'OLED (Organic Light-Emitting Diode), c'est à dire une superposition de plusieurs couches semi-conductrices organiques entre deux électrodes dont l'une, au moins, est transparente. Grâce à cette technologie, il n'est plus question de rétro-éclairage permanent car chaque pixel ''fabrique'' sa propre lumière selon ces besoin, ce qui réduit aussi l'épaisseur de l'écran. Chaque bâton de couleur est donc constitué d'une OLED coloré qui s'éclaire plus ou moins en fonction du besoin. Pour créer du noir, il suffit alors de ne rien allumer. Un pixel noir est donc vraiment noir. Le contraste, c'est à dire le passage entre une zone sombre et une zone clair, est ainsi bien meilleur. Cela explique qu'Oculus et HTC aient tout deux optés pour cette technologie. Cette nouvelle technologie possède également d'autres avantages tel qu'un temps de réponse bien meilleur ou une possibilité de créer un écran souple pouvant être intégré sur un grand nombre de supports.
 

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Les lentilles: modifier la mise au point

Nous avons maintenant un écran haute technologie, très performant, mais un problème persiste: il est impossible, pour l’œil humain, de faire la mise au point sur un objet trop proche de celui-ci. Cela signifie que l'écran va apparaître très flou. D'autre part, même en reculant l'écran suffisamment pour réussir à le visualiser, la fatigue oculaire serait trop importante, et il serait impossible de faire de longue session d'immersion. Heureusement, on sait déjà régler ce problème, du moins dans une moindre mesure, en créant des lunettes et des lentilles de vue. En effet, les problèmes de vue sont du à une déformation de l’œil empêchant la mise au point sur les objet trop proche ou trop loin, selon la pathologie. Les verres correcteurs modifient la mise au point de l'image en créant le défaut inverse de celui du porteur, permettant ainsi de recréer une image net. Dans les casques de réalité virtuelle, on applique le même principe. On considère que l'écran se trouve à une distance raisonnable de l’œil, et on modifie la mise au point à l'aide des lentilles afin que l'œil ait besoin de ce ''calibrer'' sur cette distance pour voir clair. De cette manière, il est dans une position de repos en permanence. Afin d'avoir un affichage correct et sans déformation, il est important que l’œil se trouve exactement au centre de la lentille. C'est pour cette raison que les opticien mesurent l'IPD (Inline Progression Dimension), c'est à dire l'écartement entre les pupilles, et ajustent les monture de lunette en fonction. Il est bien évident que l'on ne va pas demander au fabriquant de casque VR de créer un casque différent pour chaque personne, c'est pour cette raison que les casques récents proposent généralement de régler l'IPD.

Modification de la distance focale

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Un des détail important des lentilles sur les casques VR actuels est le focus infini. En temps normal, l'œil ne peut pas voir tout les plan d'une image de manière clair et simultanée. Si une personne B se trouve à 1 mètre de d’une personne A, et une autre personne C se trouve à 20 m, la personne A verra obligatoirement au moins l'une des deux personne B ou C floue, car l'écart de distance entre les personne B et C et l’œil de la personne A est trop importante pour le focus de son œil. Ici, le focus étant considéré comme infini, car en réalité tout les pixels de l'image se trouvent à la même distance de l’utilisateur, il n'est pas nécessaire pour son œil de ''jongler'' entre les mises au point, et l'ensemble de l'image lui parait toujours nette. Le suivi des yeux permettrait de commencer à travailler ce phénomène, en modifiant la mise au point de l'image en fonction du regard, mais la seul solution viable au long terme semble être la projection rétinienne, c'est à dire la suppression complète de l'écran au profit d'un ''laser'' dirigé vers le fond de l'œil. C'est cette technologie qu’utilise l’entreprise Magic Leap. Contrairement à des lunettes de vue, qui corrigent des défauts relativement peu important, il est nécessaire dans un casque de réalité virtuelle d'effectuer une énorme modification sur la mise au point. C'est pour cela qu'il est très difficile de créer des lentille ne créant pas d'aberration chromatique, c’est à dire un décalage des couleurs en fonction de leur fréquence, et lumineuse importante. D'autant plus que l'espace disponible dans un casque est restreint. cet espace restreint a d'ailleurs forcé les entreprises HTC et Oculus à se tourner vers des lentille de Fresnel. Ces lentilles sont justement conçu pour faire une mise au point sur un objet proche tout en limitant leurs encombrement. Cependant, cette technologie a un défaut: la lumière se reflète dans les différentes couches du matériau, créant ainsi une lumière parasite relativement importante.

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Le suivi rotationnel: créateur d'immersion

L'affichage, c'est bien, mais pour être immergé dans un monde virtuel, rien de mieux que de pouvoir observer ce qui nous entoure. Pour cela, le matériel de réalité virtuelle utilise un ensemble de capteurs permettant de détecter dans quelle direction regarde l’utilisateur. C’est, à la base, grâce aux smartphones que les ingénieurs ont développé, depuis quelques années, des composants de détection d'inclinaison très puissants et compacts. Pour ce faire, trois composants se trouvant souvent dans la même puce, sont utilisés :
 

 - L'accéléromètre : C’est un capteur qui, fixé à un mobile ou tout autre objet, permet de mesurer

l'accélération linéaire de ce dernier. On parle d'accéléromètre même lorsqu'il s'agit en fait de 3

accéléromètres qui calculent les accélérations linéaires selon 3 axes orthogonaux. Il sert

principalement à détecter la gravité, et ainsi savoir dans quel direction se trouve le sol, mais il

peut également servir à faire de la prédiction ou à affiner des calculs positionnels.

 - Le gyroscope : Un gyroscope, en grec ''qui observe la rotation'', est un appareil qui exploite le principe de la conservation du mouvement angulaire. Cette loi fondamentale de la mécanique veut qu'en l'absence de force appliqué à un solide en rotation, celui-ci conserve son axe de rotation invariable. Lorsqu'une force est appliqué à l'appareil, cela provoque une mutation du solide en rotation. Dans les casques de réalité virtuelle, un gyroscope est un capteur de position angulaire et un gyromètre, un capteur de vitesse angulaire. Le gyroscope donne la position

angulaire selon l’un, les deux ou les trois axes de son référentiel par rapport à un référentiel neutre.

Il détecte donc les inclinaison, c’est à dire qu’il permet de savoir si la tête est penché à gauche, à

droite, en avant, ou en arrière. Il est combiné à l'accéléromètre pour une meilleur précision. La

précision de ce genre de capteur est incroyable et le résultat est très rapide à calculer pour un

smartphone ou un ordinateur. En précision maximale, un capteur équipé d’un accélérateur 3 axes

couplé à un gyroscope 3 axes posé sur un bureau de la salle de classe est par exemple capable de

détecter les vibrations générées par un tramway ou un bus passant dans la rue adjacente.

 - Le Magnétomètre : Un magnétomètre est un appareil qui sert à mesurer selon les cas l'intensité ou la direction d’un champ magnétique. Le capteur de champ magnétique, quand il est associé à un dispositif électronique, permet de lire la mesure du champ magnétique. Il en existe différents types, basés sur des principes physiques différents, utilisés, par exemple, par les géologues ou le militaires. Au cours des dernières années, les magnétomètres ont été miniaturisés au point d’être intégrés en tant que boussole à l'intérieur des téléphones mobiles et des GPS. Il s'agit en fait d'une boussole qui fait partie du gyroscope et permet de déterminer les rotation de tête dans un casque de réalité virtuelle. Il est le moins précis des composants, et est sujet à une décalage progressif. C'est pour cette raison que les

casques ne possédant pas de suivi positionnel n'ont aucun moyen de recalibrer le magnétomètre

régulièrement, et sont souvent sujet à une dérive. Tous ces capteurs sont très bons marchés mais

pourtant très fiables et très précis. Il est donc normal de les retrouver dans l'ensemble des casque

de réalité virtuelle. Sur les équipements de type cardboard, c’est à dire un support de téléphone

avec des lentille, ce sont les capteurs du téléphone qui sont utilisés.

 

Le suivi positionnel

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Sur les casques de réalité virtuelle les plus performants, le suivi rotationnel n’est pas la seule technologie de positionnement présente dans les systèmes: il y a aussi le suivi positionnel, c’est-à-dire le positionnement de la tête dans l’espace, par exemple dans une pièce. Pour calculer le positionnement du casque, des manettes et de tous les capteurs qui peuvent être positionnés sur le corps de l’utilisateur, c’est le plus souvent une ou des caméra infrarouge qui sont utilisées, positionnées dans les différents coins de la pièce. L’ordinateur peut ensuite analyser le positionnement des capteurs selon la position des caméras. Dès que l’utilisateur fait un mouvement, vers l’avant, l’arrière ou le côté, l’ordinateur calcule la distance parcourue et la direction et adapte donc l’affichage de l’écran en conséquence, presque instantanément pour créer une immersion la plus réelle possible. Ce sont toutes ces prouesses techniques et technologiques couplées avec la rapidité d’analyses et d’actions des ordinateurs qui permettent de suivre les mouvements de l’utilisateur. Néanmoins, cette technologie n'est pas disponible sur tous les casques. En effet, il est absent sur la très grande majorité des casques destinés aux smartphones puisque certains de ceux-ci ne sont pas équipés de la technologie adéquat.

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Les accessoires

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Les accessoires sont des modules externes permettant une interaction plus importante avec les applications ou les jeux. Ils peuvent êtres équipés de boutons et de joysticks, tout comme sur les manettes classique de jeux vidéos, mais possèdent, en plus, des capteurs semblables à ceux cités dans la partie précédente et suivis, comme eux, grâce à des caméras infra-rouges placées dans la pièce. De plus, il existe, depuis peut, des plates-formes de mouvements permettant à l'utilisateur de se déplacer dans le monde virtuel tout en restant sur place dans le monde réel, ainsi que des gants permettant de capturer l’action de la main et des doigts et plein d'autres modules.

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