Positionnement en réalité virtuelle et suivi des mouvements de la tête sur HTC Vive, Oculus Rift et PlayStation.

La technologie de positionnement intérieur pour la réalité virtuelle permet de localiser les casques et appareils VR, comme le VIVE Tracker, dans l'espace. Grâce à ces appareils, l'immersion est améliorée, la sensation de vertige est considérablement réduite, et l'écran entier devient une réalité : le monde semble bouger en fonction de nos mouvements. La technologie de localisation intérieure est essentielle pour les casques de réalité virtuelle de bureau.

HTC Vive utilise la technologie de positionnement laser « Lighthouse », tandis qu'Oculus Rift et Sony PlayStation VR utilisent la technologie de positionnement optique. L'Oculus Rift utilise la technologie optique infrarouge, et le Sony PlayStation VR, la technologie optique visible.

La technologie de positionnement intérieur Lighthouse du HTC Vive.

La technologie de positionnement intérieur Lighthouse de HTC utilise un système de balayage laser et des capteurs photosensibles pour déterminer la position d'objets en mouvement. Deux émetteurs laser sont positionnés en diagonale pour former une zone rectangulaire de taille ajustable. Le faisceau laser est émis six fois par seconde par deux rangées de LED fixes intégrées à l'émetteur. Chaque émetteur laser est doté de deux modules de balayage qui transmettent successivement le balayage laser et l'espace de positionnement, horizontalement et verticalement.

Le casque HTC Vive et ses poignées sont équipés de plus de 70 capteurs de lumière. En calculant le temps de réception du faisceau laser, on détermine la position exacte de chaque capteur par rapport à l'émetteur. La position et la direction de la tête visible sont ainsi détectées par plusieurs capteurs. La technologie de positionnement laser du HTC Vive utilise l'identification du capteur photosensible et transmet simultanément les données reçues à l'unité de calcul. Cette dernière peut ainsi distinguer directement les différents capteurs et construire un modèle tridimensionnel du casque et des poignées, en se basant sur la position de chaque capteur et d'autres informations.

La technologie de positionnement laser, grâce à son faible coût, sa haute précision, son traitement distribué et d'autres avantages, ainsi qu'à son absence quasi totale de latence, ne craint pas les obstacles, même la présence d'une poignée à l'arrière ou à l'entrejambe. On peut donc affirmer que cette technologie permet un positionnement intérieur précis et rapide, tout en évitant les inconvénients liés à la complexité, au coût élevé des équipements, à la lenteur de calcul et à la sensibilité à la lumière naturelle des technologies de traitement d'images. De plus, contrairement aux deux autres produits, le HTC Vive offre une plus grande liberté de mouvement dans un espace défini, permettant à l'utilisateur de s'adapter à ses besoins de déplacement. Cependant, la station de base de lancement laser du HTC Vive utilise une commande mécanique pour le positionnement par balayage laser, ce qui engendre des problèmes de stabilité et de durabilité. Par conséquent, la stabilité et la durabilité du HTC Vive sont légèrement inférieures.

technologie de positionnement Oculus Rift

L'Oculus Rift utilise une technologie de positionnement optique actif.

Les utilisateurs de l'Oculus Rift savent peut-être que ce dispositif intègre des marqueurs infrarouges qui émettent de la lumière infrarouge et sont utilisés pour la prise de vue en temps réel par deux caméras infrarouges. Ces caméras sont placées à l'extérieur, derrière un filtre infrarouge, ce qui leur permet de capturer uniquement la tête et les manettes (Oculus Touch) grâce à ce filtre qui élimine les signaux de lumière visible environnants. Ce procédé améliore la netteté de l'image et réduit le bruit, renforçant ainsi la robustesse du système.

Après l'obtention de l'image infrarouge, les images collectées par les deux caméras sous différents angles sont transmises à l'unité de calcul, et les informations indésirables sont filtrées par l'algorithme visuel pour obtenir la position de la lumière infrarouge.

L'algorithme PnP réutilise les informations de localisation de quatre sources infrarouges non coplanaires. Ces quatre points d'image sont intégrés au système de coordonnées de la caméra, permettant ainsi de modéliser l'appareil en trois dimensions et de suivre en temps réel les mouvements de la tête et des mains du joueur. Il est important de noter que pour connaître la localisation de chaque source infrarouge, il faut pouvoir les distinguer. Voici les solutions :

L'appareil indique son identifiant par le clignotement de sa lampe infrarouge. En contrôlant la fréquence d'obturation et la fréquence de clignotement de chaque LED, on peut ajuster la taille de l'image de chaque lampe infrarouge sur l'image. On utilise ensuite les variations de taille des images sur 10 images pour déterminer le numéro d'identification de chaque LED, et ainsi localiser la source infrarouge dans les informations de l'appareil.

De plus, l'Oculus Rift est équipé d'un capteur à neuf axes qui calcule la position spatiale de l'appareil lorsque le positionnement optique infrarouge est obstrué ou flou. En raison du décalage et de la dérive du zéro des neuf axes, le système de positionnement optique infrarouge peut également utiliser les informations de positionnement obtenues pour calibrer celles fournies par le capteur à neuf axes lorsqu'il fonctionne normalement, permettant ainsi une compensation mutuelle entre le positionnement optique infrarouge et le positionnement à neuf axes.

L'Oculus Rift est doté d'un système optique infrarouge actif et d'un système de positionnement à neuf axes de haute précision, offrant une excellente résistance aux interférences. Grâce à la vitesse de prise de vue élevée des caméras utilisées et à la capacité du système à obtenir en permanence les coordonnées absolues du marqueur dans l'espace, aucune erreur cumulative n'est à déplorer.

Cependant, en raison du champ de vision limité de la caméra, la gamme restreinte de produits disponibles limite considérablement les possibilités de l'utilisateur, rendant impossible l'utilisation de l'Oculus Rift pour les jeux de réalité virtuelle nécessitant une grande variété d'activités, comme la marche. Par conséquent, bien que l'Oculus Rift puisse prendre en charge le positionnement simultané de plusieurs cibles, leur nombre reste limité, généralement à deux maximum.

technologie de positionnement Playstation VR

PlayStation VR utilise une technologie de positionnement optique actif visible.

Le casque PlayStation VR utilise une caméra corporelle et un système d'éclairage coloré, similaire au PS Move, pour suivre les mouvements de la tête et des commandes. Chaque casque est équipé d'une boule lumineuse LED. Ces boules émettent une lumière de couleur différente, permettant ainsi une distinction nette entre la caméra, les boules lumineuses et l'environnement.

La PS3 utilisait initialement une seule caméra. En calculant le rayon de la balle sur l'image, on déterminait sa position par rapport à la caméra et, in fine, la position de la poignée et de la tête de la balle. Cependant, la précision du positionnement avec une seule caméra était limitée, sa robustesse faible, et il arrivait que la poignée soit confondue avec un objet coloré, ou que le système soit illisible en plein soleil. C'est pourquoi la PS4 utilise une caméra somatosensorielle, c'est-à-dire une caméra binoculaire. Deux images prises par la caméra permettent de calculer les coordonnées tridimensionnelles de la balle dans l'espace. Principe précis : en théorie, pour un point donné dans l'espace tridimensionnel, si ce point est visible simultanément par deux caméras, ces dernières, à partir des images et des paramètres correspondants, peuvent déterminer la position de ce point dans l'espace tridimensionnel, comme illustré ci-dessous :

Après l'utilisation de la caméra somatosensorielle, la précision et la robustesse du positionnement de la PS4 ont été grandement améliorées.

Déterminez des coordonnées tridimensionnelles pertinentes, à savoir x, y et z (trois degrés de liberté). La série PS utilise neuf éléments pour calculer les trois degrés de liberté restants, ainsi que la liberté de rotation. On obtient ainsi six degrés de liberté, ce qui permet de déterminer la position spatiale et l'orientation de la poignée.

La description ci-dessus nous indique que PS peut gérer la localisation simultanée de plusieurs cibles et les distinguer par différentes couleurs. Cependant, en raison de sa faible résistance aux occultations, la localisation est immédiatement affectée par la superposition de plusieurs objets. De plus, la portée limitée de la caméra binoculaire restreint l'utilisation mobile de PS à la zone de champ de vision, ce qui signifie qu'elle ne peut être utilisée que lorsqu'elle est assise devant un PC. Bien que la PS4 utilise actuellement une caméra binoculaire, elle repose toujours sur la localisation par lumière visible et est donc facilement perturbée par la couleur de l'arrière-plan. Enfin, les retours d'expérience utilisateur montrent que la caméra de capture de mouvement rapide ne parvient pas à maintenir une localisation précise.

Enfin, nous pouvons comparer le tableau suivant pour voir les avantages et les inconvénients des trois technologies de positionnement produit.