Prochain événement    Gros Multi Onward jeudi 8 déc. à 21h00 !    du 08/12/2016 (21:00) au 08/12/2016 (23:45)

ACTUALITÉ
Le fonctionnement d'un casque VR

Publié par
Article de la communauté
le 23/04/2016 à 20:11
L'Oculus Rift, le HTC Vive, le Gear VR,... bref, tout les casques VR fonctionnent sur le même principe.
Nous allons entrer dans les détails de leur fonctionnements, en se concentrant principalement sur l'optique et l'électronique.


Le fonctionnement global
Un HMD (Head-mounted display, qui se traduit par 'écran fixé sur la tête'), c'est avant tout un écran. Le problème, c'est que l'oeil 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.
Le suivi peut être séparé en deux parties : le suivi rotationnel, détectant l'inclinaison de la tête, et le suivi positionnel, détectant la position de la tête dans l'espace. Ce dernier n'est pas disponible sur tous les casques (il est absent de la très grande majorité des casques destinés aux smartphones).

Nous allons décortiquer chaque élément un à un, en commencant par l'écran.

L'écran: un défi technologique
Si il y a bien un élément qui est primordial, c'est l'écran. Plusieurs problèmes se posent lors du choix de ce composant.

Le premier problème est bien évidemment la proximité de l'écran avec les yeux de l'utilisateur. 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, soit la visualisation de la matrice de pixel, 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 du fait qu'il est impossible de 'coller' les pixels l'un à l'autre. Pour cela, pas de solution miracle, il faut réduire l'écart entre les pixels... ce qui est un vrai défi technologique. (On peut aussi très légèrement flouter la vitre devant l'écran, mais cela demande une grande reguliarité et comporte des defauts).
Une des méthodes actuellement mise en place est l'utilisation d'écran PenTile. La différence réside dans le placement des couleurs. En effet, un pixel est en réalité constitué de trois 'barres' de couleurs primaires, qui s'assombrissent plus ou moins, et qui se mélangent l'une à l'autre de part leur proximité, créant ainsi la couleur souhaitée. Un écran PenTile 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. L'écart entre chaque couleur devient donc uniforme d'un pixel à l'autre, réduisant dramatiquement l'effet de grille.
Matrice PenTile
Matrice PenTile
Un autre problème, moins médiatisé mais tout aussi problématique : la profondeur de noir.

Un écran LCD possède une source de lumière continu. Sur un écran LCD classique, il s'agit d'un ou deux néon se trouvant derrière la dalle. Sur un écran indiqué 'LED', la lumière est produite par des LED se trouvant, soit uniquement sur les bords de l'écran (EDGE LED), dans ce cas c'est très semblable à la technologie néon et il s'agit avant tout d'un argument commercial, soit sur l'ensemble de l'image (FULL LED) permettant ainsi de créer plusieurs zones de contrastes différentes.
Les pixels sont 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... oui mais en réalité le pixel ne pourra jamais être complètement opaque, le rétro éclairage étant très vif, le noir n'est pas 'profond', c'est à dire qu'il apparait gris foncé. Pour régler le problème, on peut utiliser un écran LCD FULL-LED, mais c'est encore assez imparfait.

Heureusement, il existe une autre technologie: L'OLED. Ici, pas question de rétro-éclairage permanent, car chaque pixel 'fabrique' sa propre lumière selon ces besoin. Chaque bâton de couleur est en réalité constitué d'une LED organique (la couche servant à l'émission lumineuse est conçu dans un matériau organique) 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 que Oculus et HTC ont tout deux choisi cette technologie.
Avantage supplémentaire, le temps de réponse est bien meilleur, ce qui améliore le motion-to-photon.
 
Contraste entre LCD et LED
Contraste entre LCD et LED
Les lentilles: modifier la mise au point
Un bel écran, c'est très bien, mais un problème persiste, il est impossible de faire la mise au point sur un objet trop proche de l'œil.
Cela signifie que l'écran va apparaitre 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 de jeu (Qui a dit VirtualBoy ?). Heureusement, on sait déjà régler le problème (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'oeil empêchant la mise au point sur les objet trop proche ou trop loin. Les verres correcteurs modifie la mise au point de l'image en créant le défaut inverse de celui du porteur, permettant ainsi de recréer une image net. Ici, on applique le même principe. On considère que l'écran se trouve à une distance raisonnable de l'oeil, 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 deformation, il est important que l'oeil se trouve exactement au centre de la lentille. C'est pour cette raison que les opticien mesurent l'IPD (écartement entre les pupilles) et ajuste les monture de lunette en fonction... bien evidemment, on ne va pas demander au fabriquant de casque VR de creer un casque different pour chaque personne, c'est pour cette raison que les HMD récents proposent généralement de régler l'IPD.
Modification de la distance focale
Modification de la distance focale
Détail important, avec les casques VR actuels on parle de focus infini. En temps normal, l'œil ne peut pas voir tout les plan d'une image de manière clair simultanément. Si une personne se trouve à 1 mètre de moi, et une autre se trouve à 20 m, je verrais obligatoirement au moins l'une des deux personne floue, car l'écart de distance entre les personne et mon œil sont trop importants pour le focus de mon œil. Ici, le focus étant considéré infini, car en réalité tout les pixels de l'image se trouvent à la même distance de moi, il n'ai pas nécessaire pour mon œil de 'jongler' entre les mises au point, et l'ensemble de l'image me 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 la technologie que semble utiliser le fameux Magic Leap.
Contrairement à des lunettes de vue, qui corrigent des défauts relativement peu important, il est ici nécessaire 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 (un décalage des couleurs en fonction de leur fréquence) et lumineuse importante.
D'autant plus que l'espace disponible est restreint... cet espace restreint a d'ailleurs forcé 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 couches du matériau, créant ainsi des lens-glares relativement importants.
Visualisation du lens-glare
Visualisation du lens-glare
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, on utilise un ensemble de capteurs permettant de détecter où regarde le joueur.

Pas besoin de réinventer la poudre, c'est encore une fois les ordiphones qui ont permis de développer, depuis quelques années, des composants de détection d'inclinaison très puissants et compacts.

Pour ce faire, trois composants sont utilisés (ils se trouvent souvent dans la même puce) :
- L'accéléromètre : Il détecte les accélérations. 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 les calculs positionnels.

- Le gyroscope : Il détecte les inclinaison. Il permet de savoir si la tête est penché à gauche, à droite, en avant, et 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. En précision maximale, un capteur MPU-6050 posé sur la table de votre salon est par exemple capable de détecter les vibrations générées par un camion passant dans la rue.

- Magnétomètre : Il s'agit d'une boussole. Il fait partie du gyroscope et permet de déterminer les rotation de tête. Il est le moins précis des composants, et il est sujet à une dérive ('drift' = décalage progressif). C'est pour cette raison que les solutions VR n'ayant pas de suivi positionnel (que nous verrons juste après) n'ont aucun moyen de recalibrer le magnétomètre régulièrement, et sont souvent sujet à une dérive. Il reste cependant relativement précis.

Ces capteurs sont très bons marchés, très fiables, et très précis... il est donc normal de les retrouver dans l'ensemble des casque VR. Notez que sur les solutions de type cardboard (support de téléphone avec des lentille), ce sont les capteurs du téléphone qui sont utilisés.

Le suivi positionnel
Pour un article complet sur les solutions choisies par HTC et Oculus, vous pouvez lire l'article suivant :
Les systèmes Oculus Constellation (Rift) et SteamVR Lighthouse (Vive) expliqués


Tag(s) associé(s) : Actualité
11 COMMENTAIRES

Connectez-vous pour commenter.