Le Guide de la VR en 2018 qui a pour but de faire un large état des lieux de la réalité virtuelle.
Histoire, technique, marché, champs d’applications, futur de la VR, nous essayerons d’être le plus complet possible afin de mieux appréhender le potentiel de cette technologie.
Quels sont ses atouts et va t-elle se démocratiser ou non ?

Avec cet article nous allons amorcer notre premier survol de la partie technique de la réalité virtuelle…. comment est ce que tout cela fonctionne ? la VR n’aura plus de secret pour vous !

Si ce n’est pas déjà fait, n’hésitez pas à lire :

HISTOIRE :
1 – La Stéréoscopie : Histoire de l’ancêtre de la VR
2 – Tâtonnement et Trouvaille : Période s’étalant de 1930 aux années 1970
3 – Disparition et Résurrection : La Première Vague de la VR dans les année 1990
4 – La VR Contre Attaque : le retour de la VR grâce à Oculus et HTC (et leur soutien Facebook et Valve)

Après tous ces détours pour en arriver à cette nouvelle génération de casque de réalité virtuelle, quid de la technique ?

La réalité virtuelle coté technique : C’est pas sorcier !

3.1 – Fonctionnement Général

Tous les casques VR, (aussi appelé dispositif HMD) sont globalement construits de la même manière :

  • Un écran,
  • Des lentilles pour permettre aux yeux de l’utilisateur de faire naturellement la mise au point,
  • Des écouteurs transmettant un son spatialisé
  • Et enfin des trackers qui se divisent en 2 catégories :

– ceux permettant de gérer le suivi “rotationnel”, c’est à dire l’orientation de la tête dans l’espace. (inclinaison, rotation)
– ceux permettant de gérer le suivi “positionnel” : le positionnement de la tête dans l’espace.

SI le premier type est incontournable sous peine de retourner à de simples stéréoscopes des années 1850, le second reste optionnel. 

Enfin la réalité virtuelle ce n’est pas qu’un casque, il faut une machine qui gère l’affichage et le son destiné au casque.

Oculus eclaté

Vue éclatée d’un Oculus Rift

3.2 – Typologie de VR 

A ce stade de l’analyse il me paraît important de distinguer les différents types de VR.

En effet l’acronyme VR regroupe dans les médias et dans l’esprit du grand public tout type de casque de réalité virtuelle or dans les faits, il existe plusieurs catégories qui n’ont rien à voir ni point de vue technique ni d’un niveau qualitatif. 

3.2.1 – La VR MOBILE

La VR Mobile est une typologie de VR qui utilise un téléphone portable dernière génération qui vient se loger dans un casque dédié.

C’est alors le téléphone portable qui sert d’écran ce dernier se “scindant” en deux verticalement (le téléphone étant orienté en format paysage) offrant deux images afin de pouvoir restituer le phénomène stéréoscopique.

Le suivi rotationnel se fait grâce au gyroscope, accéléromètre et boussole intégrés dans une seule et même puce que possèdent désormais tous les mobiles de nos jours.

La VR mobile ne permet pas de suivi positionnel, ce qui limite son immersion, de plus elle ne permet qu’une interactivité avec l’univers proposé très sommaire voire pas du tout.

Même dans les meilleurs casques actuels, cela reste du “point & clic” sur un endroit désigné dans l’univers via un tapotement latéral sur le casque ou une petite télécommande.

En résultat la VR mobile propose une VR que je qualifierai de bas de gamme, en effet le téléphone tout performant qu’il est ne peut pas rivaliser avec la puissance de calcul d’un pc, cette technologie se trouve cantonnée à la visualisation de vidéo 360° 3D (stéréoscopique) ou 360 simple (sans relief) ou des univers en animation 3D excessivements simplistes.

Elle a cependant d’énormes avantages : à commencer par le fait que la majorité du grand public dispose déjà d’un smartphone, le nombre de clients potentiels de cette typologie de casque est donc énorme; vient aussi la question du coût, le cador de la catégorie VR Mobile : le samsung gear vr est vendu à 100€ loin des 700-800€ d’un casque VR PC (prix aux début de l’année 2016).

Les casques sont assez légers et du fait qu’ils utilisent un smartphone ils sont sans fils, là encore un bon point pour la VR mobile.

Enfin un dernier avantage et non des moindres réside dans la facilité d’installation et d’utilisation, niveau installation c’est du plug & play : on lance une application, on loge le téléphone dans le casque et c’est parti. 

3.2.2 – La VR PC

Dans le cas de la VR dite “VR PC”, (aussi appelée par les dénominations : VR Fixe, VR Connectée ou encore VR Tethered) c’est un ordinateur qui se charge de calculer le positionnement du casque, sa rotation, le positionnement des manettes, gérer le son, émuler l’univers virtuel, puis d’envoyer cet énorme flux d’informations continu au casque porté par l’utilisateur et cela de façon fluide et quasi instantané.

La VR PC est la forme la plus aboutie de réalité virtuelle commercialement disponible, c’est le haut de gamme de cette technologie.

Elle permet une interactivité très poussée, grâce à une localisation spatiale très précise du duo casque-manettes, graphiquement la VR PC permet de simuler des environnements très réalistes, équivalent à ce qui se fait de mieux dans les jeux vidéos actuels, elle permet aussi de se connecter avec d’autres utilisateurs online, et techniquement c’est elle qui dépasse tous les autres type de VR : Résolution d’écran, fps, Fov, profondeur de champ etc…

Elle fait face à certains désavantages dont le principal est son coût très élevé, car les ordinateurs capables de faire tourner ce type de VR, demande une puissance élevée que ce soit au niveau du processeur ou de la carte graphique, il fallait compter environ 1700€ minimum en 2016 pour une tour pouvant faire fonctionner de la VR, auquel on ajoute le prix d’un casque Oculus ou Vive : la facture devenant bien salée même pour les plus passionnés.

Enfin quelques autres freins mineurs subsistent comme la difficulté de configuration et d’installation et le fait que le casque est relié par un fil au pc.

Tous ces facteurs n’ont pas favorisé une démocratisation rapide, comme l’engouement médiatique sur la VR de 2016 le laissait penser, mais la VR PC a de beaux jours devant elle comme nous le verrons par la suite. 

3.2.3 – La VR CONSOLE 

Cette typologie concerne tout type de casque se connectant une console de jeu et pour faire simple il n’y en a actuellement qu’un : le PSVR de Sony se connectant à la PS4.

Je me suis longuement posé la question si l’on devait considérer cette typologie comme étant à part ou si l’on pouvait estimer que c’est une forme de VR PC.

D’une part car son fonctionnement est très similaire à la VR PC, ainsi que ses possibilités. Le PSVR est de bonne facture, mais un cran en dessous à tous les niveaux comparé à la VR PC, il est aussi moins cher : ce sont ses seules différences.

Mais d’autre part la VR Console possède un avantage énorme : le parc de PS4 déjà présents dans les foyers du monde entier ! De ce fait à l’instar de la VR Mobile, l’achat d’un PSVR pour un possesseur d’une PS4 n’est pas un grand sacrifice financier.

Cette typologie mérite donc d’exister à part entière.

3.2.4 – La VR AUTONOME 

Le marché se cherchant, un autre compromis, une nouvelle typologie est entrain de voir le jour : la VR Autonome.

Les casques VR autonomes ont un principe est assez simple : proposer un casque tout en un, qui n’a pas besoin d’un terminal extérieur pour le calcul et l’affichage (console pc ou mobile).

Ces nouveaux dispositifs embarquent directement un processeur et une carte graphique au sein même du casque, ce qui permet de s’affranchir des fils et de n’avoir aucune autre manipulation que d’enfiler le casque sur la tête, bref d’avoir un produit ultra facile d’utilisation.

Ce genre de dispositif (notamment pour ne pas avoir un poids trop lourd ou un encombrement trop important) propose une VR plus immersive que la VR Mobile, mais moins que la VR PC ou VR Console; la création d’un milieu de gamme en somme. 

Pour conclure sur cette clarification des différentes typologies VR sur lesquelles je reviendrai plus en détails dans la partie marché, il est important de constater la diversification des différents types de casques, et que lorsqu’on est amené à parler de réalité virtuelle il faut bien garder à l’esprit ces différences, car la qualité des immersions proposées est radicalement différente. 

3.3 – L’écran : le nerf (optique) de la guerre 

De bon écrans sont vitaux pour un casque de réalité virtuelle, en effet ils doivent posséder un taux de rafraîchissement élevé, afin d’afficher les images quasi instantanément à l’utilisateur suivant sa position, en cela on parle de FPS (Frame par seconde – Image par seconde)

Plus élevée est cette valeur, plus la sensation de fluidité sera présente.

A noter que bien souvent une idée reçue revient : le mouvement est perçu à partir de 24 FPS, c’est faux.

Déjà car pour l’oeil humain il est difficile de parler en FPS ce dernier captant un flux continu visuel, et ensuite parce que le chiffre de 24 avait été retenu par le cinéma par convention, de là est née la confusion. 

Lorsqu’on parle de jeux vidéo et donc d’univers 3D simulés par des PC, la sensation d’animation, de mouvements sans effet de saccades est à 50 FPS.

Pour la réalité virtuelle 60 fps est un minimum afin de garantir un confort minimal, les casques VR PC actuels tels que l’Oculus ou le Vive tournent à 90 FPS, et l’industrie s’est donnée pour objectif d’atteindre 120 FPS dans les 5 prochaines années. 

Si l’on tentait tout de même de quantifier la vision humaine en FPS, de récents tests ont prouvé que des pilotes de l’US Airforce sont capables de reconnaître le modèle d’un appareil ennemi en 1/220 ème de seconde, bien plus rapide que les 1/24 du cinéma ou les 1/50 d’un jeu vidéo.

L’oeil humain est un bijou biologique : pour le tromper entièrement il faudrait au minimum 220 FPS avec des pointes à 1000 FPS dans certains cas. 

Un autre gage de qualité est la résolution des écrans que les différents casques VR embarquent, en effet plus la résolution sera grande et plus la vue offerte au sein du casque sera nette et précise. (plus de pixels à surface d’écran équivalente)

En VR la façon de mesurer cette résolution  change quelque peu d’un écran traditionnel, car on va comparer cette résolution suivant le champ de vision (FOV) 

Sans entrer trop dans des détails d’optiques, on s’exprime souvent en VR en pixel/degrés. c’est à dire le nombre de pixels que la fovéa (le centre de la rétine chargé de distinguer les détails et les couleurs) est capable de discerner par degré de FOV. 

De façon assez surprenant nous avons vu que la “fréquence” de l’oeil humain est bien plus élevée que les standard actuel au niveau matériel (et le restera), en comparaison pour la résolution, l’oeil n’est pas très performant.

Si l’oeil humain était une machine disons un appareil photo il serait capable de capter 60 pixels/degrés pas plus.

C’est donc une différence avec la fréquence pour laquelle l’oeil n’a quasi pas de limite, nous sommes beaucoup plus performant pour voir le mouvement, que les détails.

A titre informatif, les rapaces ont une résolution 2 à 3 fois supérieures à celle de l’homme, mais ils possèdent 2 fovéa : une comme nous au centre de la rétine et une sur le pourtour de cette dernière leur conférant une vision des détails la plus élevée du règne animal. 

Revenons en à notre oeil humain, qui grâce à la fovéa voit précisément uniquement dans un angle de 2° à partir de son centre (Plus on s’éloigne du centre de la fovea, moins on distingue les couleurs et détails : le cerveau prend le relais pour les imaginer)

Au delà de 60 pixels/degrés, l’oeil ne voit plus de différence, c’est sa limite aussi appelée Résolution Rétinienne.

Mais comment faire pour calculer les pixels/degrés d’un casque VR ? les constructeurs mélangeant joyeusement résolution, degrés de FOV, voir additionnent les résolutions des deux écrans destinées à chaque oeil afin sûrement de rester vague pour les consommateurs novices. 

Il s’agit d’un simple calcul prenons le cas de l’Oculus :

Le constructeur annonce une résolution d’écran 1080 (largeur) X 1200 (hauteur) PAR oeil

– Cette résolution est par ailleurs souvent résumée par un 2160X1200 en cumulant les deux écrans pour deux yeux, il faut au niveau de la résolution en VR savoir si le chiffre avancé est par oeil ou l’ensemble. 

Le FOV de l’Oculus est lui de 110° par oeil

On prend donc le nombre de pixels en largeur que l’on divise par le FOV : 

1080/110 = 9.81 arrondi au supérieur donnent 10 pixels/degrés

On est donc loin de la résolution rétinienne de l’oeil humain de 60 pixels/degrés.

Comme le FOV, les FPS, la résolution devra progresser grandement afin de se rapprocher du maximum de 60. On pourrait à juste raison penser que 50 pixels/degrés de différence n’est pas grand chose mais dans les faits c’est un énorme écart.

3.4 – Des lentilles à double tranchant 

Les lentilles sont absolument nécessaires dans un casque VR.

Nous avions vu dans l’historique de la réalité virtuelle que les premiers stéréoscopes utilisaient déjà des lentilles notamment les stéréoscopes de Brewster, afin de réduire l’encombrement du dispositif : il en va de même pour les casques actuels de réalité virtuelle. 

En effet les écrans (l‘écran suivant le type de vr proposés) ne sont qu’à quelques centimètres des yeux de l’utilisateur (6 cm dans le cas de l’oculus 7 cm dans le cas du vive par exemple) cette proximité induit une mise au point optique énorme afin que les yeux de l’utilisateur puissent voir clairement les images projetées par l’écran, or cette mise au point qu’elle soit pour le FOV ou bien la profondeur de champ ne peut se faire que par le biais de lentilles.

Nous verrons par la suite que ces lentilles bien qu’elles améliorent grandement la vision de l’utilisateur(et donc l’immersion) apportent leur lot de problématiques.

3.5 – L’audio un renforcement de l’immersion

Michael Abrash scientifique en chef d’Oculus – détaillant les prochaines avancées sonores pour la VR (2016)

Lorsqu’on parle de VR, la première chose auquel on pense n’est certainement pas le son. On pense vision 3D, on pense interactivité mais le son et le sens de l’ouïe est bien souvent le parent pauvre de la réalité virtuelle. 

C’est une erreur, comme indiqué en introduction si l’on devait mesurer l’utilisation de nos sens au quotidien, on s’apercevrait que le sens de l’ouïe est le deuxième le plus utilisé après la vue ! (pour rappel 12%)

Dans l’optique de la réalité virtuelle cela prend tout son sens l’utilisateur devenant acteur à part entière de l’univers virtuel. 

Si le son a bénéficié de nombreuses avancées technologiques durant les dernières années ces dernières sont insuffisantes pour retransmettre une sonorisation de manière tout à fait réaliste dans le virtuel.

David Poiriet Chercheur Associé sur un programme de sonorisation mandaté par Oculus m’expliquait la difficulté de simuler le son de façon cohérente en VR:

Ce n’est pas une limitation technique, mais plutôt une absence de besoin par le passé qui fait que beaucoup de choses sont à repenser.

En effet lorsqu’on utilise un écran (TV ordinateur) nous ne sommes que spectateur, le son passe alors au second plan, car il n’y a pas besoin de tromper le cerveau et de ce fait pas besoin de lui fournir un son parfaitement réaliste.

David m’expliquait que, inconsciemment notre cerveau apprend de manière naturelle comment se comportent les sons suivant une multitude de facteurs.

Notamment sur le fait qu’un son ne se propage pas de la même manière dans une pièce, l’extérieur ou une cathédrale.

Qu’il y a une différence entre le moment où un son atteint notre oreille droite et le moment où il est perçu par l’oreille gauche et que cette différence donne une idée précise de l’origine de ce son à notre cerveau rompu à des années d’exercices.

Que la morphologie de notre visage joue un rôle dans cette reconnaissance car l’écart entre nos oreilles n’est pas standard loin de là.

Ou encore comment notre cerveau capte des phénomènes de rebonds sonores donnant des indices sur les matériaux qui composent notre environnement dans une situation donnée (mur plein, baies vitrées, rideaux etc…)

Et tous ces facteurs sont d’autant d’indices que notre cerveau prend en compte pour l’analyse sonore de notre environnement et si l’on veut obtenir une expérience de réalité plus immersive il faut retranscrire ces stimulis et ces facteurs le plus précisément possible dans le virtuel.

Si l’on entre dans une cathédrale virtuelle notre cerveau inconsciemment s’attendra à une réverbération, un écho, de même que si il est dans une petite pièce aux murs épais, il s’attendra à des sons étouffés, si il ne l’entend pas alors cela brisera l’immersion.

Si les casques VR PC actuels s’attachent à spatialiser le son afin d’en déterminer l’origine de façon plus ou moins précise, il faut aller plus loin : le phénomène de réverbération suivant les matériaux “virtuels” (béton bois tissus etc), propagation du son de façon réaliste suivant l’environnement et peut être même prise en compte de la morphologie de tout à chacun sont autant de facteur qu’il faudra intégrer dans un futur proche.

Voilà pour les observations techniques d’une manière générale, nous entrerons un peu plus dans le vif du sujet au cours du prochain article en détaillant notamment le fonctionnement technique des trackers qui gèrent la localisation du casque et des manettes.

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Je vais voir ça de ce pas !

A la prochaine !