Brevet FR2863729A3 — publié le 20050617

FR 2863729 A3 20050617 FR 0314504 A 20031211 DISPOSITIF DE RESTITUTION VISUELLE GRANDS CHAMPS 3 FENETRES - H La présente invention se rapporte à un système de restitution de l'environnement visuel pour simulateur. En réalité le domaine d'usage de ce dispositif de restitution visuelle grands champs est beaucoup plus large et englobe aussi bien les simulateurs d'avion, d'hélicoptère, de voiture, bateau etc., que la réalité virtuelle, les jeux vidéo de ski, train etc., que toute sorte de restitution visuelle de 3 fenêtres pour divers simulateurs et moyens de "communication". Application au simulateur de vol. L'objectif des simulateurs de vol est de restituer un environnement le plus réaliste possible, dans lequel l'utilisateur se sente immergé . Pour cela il faut que les surfaces des images soient les plus grandes possibles pour que la pyramide de vision ait des champs instantanés supérieurs aux caractéristiques visuelles de l'oeil, c'est-à-dire que la vision périphérique de l'observateur soit engagée dans la perception visuelle. Les moyens les plus simples aujourd'hui ne le permettent pas. Le moyen le plus répandu actuellement est l'utilisation d'une sphère sur laquelle sont projetées des images synthétiques, et dans les environs du centre de laquelle est disposée une cabine dans laquelle prend place l'utilisateur. Les images sont projetées par plusieurs dispositifs de projection. Ces dispositifs présentent cependant certains inconvénients. Ils sont très encombrants puisque le diamètre de la sphère peut atteindre 8 à 10 mètres et ils sont très coûteux à livrer, à monter, à peindre, à aménager. Les études amonts d'implantation physique des projecteurs, de calcul et de correction d'image sont délicates. L'étude d'une nouvelle structure est donc assez lourde. Pour être performante, elle nécessite nettement plus de trois canaux d'imageries (fenêtres), en générale au moins 6 canaux. Les sphères ou dômes de visualisation sont bien adaptés aux simulateurs hauts de gamme mais pas pour des simulateurs bas coûts. Lacunes des techniques existantes. Il est possible de résumer, en partant de l'exemple sphère qui est la solution qui se rapproche le plus de l'usage grand champ par: 1) coût très élevé d'acquisition des structures, 2) nombre de canaux minimum de 4 à 6 à résolution identique, 3) coût très élevé des systèmes de projection, 4) grande complexité d'un système complet, 5) difficulté importante d'harmonisation 2863729 2 et d'obtention d'un contraste correct, 6) maintenabilité difficile et uniquement par des spécialistes. Lacune 1: une sphère de 8 m de diamètre, livrée, montée, peinte, aménagée (électricité, climatisation, passerelles) avec les structures porteuses des projecteurs, les portes et prête à recevoir une cabine de simulation 500 kEuros. A cela il convient d'ajouter le simulateur lui-même (fonction de l'application) d'un coût entre 1 et 3 MEuros. Lacune 2: pour couvrir un champ horizontal de 100 et un champ vertical de 60 avec une résolution de 3' d'arc, il faut 6 canaux d'imagerie de très haute définition. Avec 3 canaux seulement les champs vertical et horizontal sont impossibles à atteindre ou la résolution beaucoup trop faible (en dessous d'une valeur minimum acceptable). Lacune 3: les performances nécessaires des projecteurs pour restituer correctement les images en sphère sont beaucoup plus sévères que pour la technique de rétro projection. Le coefficient de "technicité" est compris entre 2,5 et 6 pour le matériel qui doit être très haut de gamme et spécifique. Lacune 4: les études amonts d'implantation physique des projecteurs, de calcul et de correction d'image pour couvrir un grand champ uniforme sont délicates et longues. L'étude d'une nouvelle structure est assez lourde. Lacune 5: l'harmonisation qui consiste à ce qu'un élément d'une image soit vu exactement sous les bons angles d'Euler par l'observateur et cohérent de ses instruments (notamment viseur tête haute ou/et viseur de casque en aéronautique) ou avec la réalité, pose en général problème en tant que réalisation des moyens de mire de référence, qu'écriture des procédures et mise au point (réglage). Obtenir une image avec une précision géométrique de l'ordre de 10' d'arc est complexe et très long (plusieurs jours). Par ailleurs, par construction, une sphère dont on éclaire un point, réfléchit la lumière par son écran (la peau de la sphère peinte diffuse et réfléchit à l'infini) et ré-émet cette lumière qui "allume" la sphère (donc qui détruit l'image) dès que les surfaces images sont un peu grandes. Ce point connu comme le phénomène d'intégration sphérique est intrinsèque aux moyens de projection directe (salle de cinéma ou simulateur). Lacune 6: la maintenance de tels systèmes de restitution visuelle en sphère nécessite du personnel qualifié et une formation spécifique au vu de la complexité des technologies mises en oeuvre. Le brevet 0004450 propose, pour remédier aux problèmes de coûts élevés d'étude et de montage d'une sphère, ainsi qu'aux difficultés importantes d'harmonisation des nombreux canaux d'imagerie, un Système de Restitution Visuelle basé sur 3 écrans plats formant entre eux des dièdres droits. Ce système résout toutes les lacunes précédentes et est déjà en application. Il est appelé également Dispositif de restitution visuelle grand champ 3 fenêtres (puisqu'il s'agit du même auteur). Avec comme acronyme: SRV3. Le but de l'invention est de rajouter une variante. Son originalité est, à partir de la configuration du SRV3 classique, d'ouvrir les dièdres (ils ne sont plus droits) et de rapprocher les faces latérales gauche et droite par glissement jusqu'au coin inférieur bas de l'écran frontal. En effet, de la sorte il est possible de l'utiliser pour une cabine biplace côte à côte, c'est-à-dire pour 2 observateurs. Ainsi, sur clé, chaque observateur peut percevoir le monde extérieur dans son repère. Sur la figure 4 les faces 11 et 12 ne forment plus un dièdre droit mais un angle gamma (y) inférieur à 7t/2. Idem pour les faces 11 et 13. La valeur de l'angle gamma est l'angle qui, à partir des faces 11 et 12 ou 11 et 13 sur un même plan, amène les faces latérales en position finale. L'angle y de l'écran gauche peut être différent de celui de l'écran droit. Un trièdre de référence 23, toujours le même, est défini pour chaque observateur ou pour un observateur virtuel positionné où l'on veut (en général à mi-chemin entre les 2 observateurs côte à côte). La position précise du ou des trièdres de référence observateur(s) 23 se détermine par l'étude de l'épure de visibilité que l'on veut obtenir en final en fonction de l'application. La présente invention respecte les positions et grandeurs de tous les éléments des images telles qu'elles sont dans la réalité. L'observateur a donc la restitution du monde extérieur sous les bons angles. Ce nouveau dispositif de restitution visuelle, qui est nommé SRV3-H, est la somme de deux entités complémentaires: un concept novateur et un modèle. Le concept est d'utiliser des faces planes rectangles montées en dièdres non colinéaires 2863729 4 au repère de l'observateur (trièdre de référence). En fait tourné d'un angle d'environ 45 autour de l'axe A. Le modèle est l'ensemble des calculs qui permet, à partir de divers paramètres (tels que l'espacement entre les faces, les angles de rotation, dimensions des faces, calage des faces, position de l'observateur etc.) d'entrées liés à l'application, de fournir les 21 paramètres de sorties (4 demi-champ + 3 angles d'Euler par image) nécessaires à la machine de génération d'images, pour fabriquer 3 images parfaitement harmonisées, c'est-à-dire sans distorsion géométrique des 3 images pour l'observateur placé en oeil théorique. Le concept principal est de tourner l'écran frontal d'un angle d'environ 45 , ceci pour optimiser les champs de vision sur les côtés et vers le bas tout en gardant du champ vers le haut. Le système de restitution visuelle à grands champs horizontaux et verticaux conforme à l'invention comprend une pluralité d'écrans plats associés deux à deux en dièdres caractérisé en ce que lesdits dièdres sont d'angles quelconques mais peuvent être droits et que l'arête (14, 15) de chacun des dièdres est ni orthogonale ni parallèle à chacun des plans formés par les axes du trièdre de référence (23) ayant pour origine l'aeil théorique (18). Le système de restitution visuelle selon l'invention comporte au moins trois écrans et est complètement opérationnel à partir de trois écrans, chacun étant associé à un dispositif de production d'images. Les écrans ont une forme polygonale. Dans une configuration à trois écrans, celui du milieu peut être carré et les deux autres rectangulaires. Mais la version la plus satisfaisante est constituée d'une face frontale rectangle de format 5/4 ou 4/3 et les deux faces latérales de même format, soit 5/4 ou 4/3: c'est-à-dire d'un format homogène au format vidéo des images. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation à trois écrans d'un système de restitution visuelle à grands champs horizontaux et verticaux conforme à l'invention. L'architecture des écrans va être décrite en procédant par étape. Selon la figure la, considérons un cube 10 de seulement 3 faces (la face 11 du fond, la face 12 côté droit, la face 13 du dessous), dont chaque face a pour dimension, à titre d'exemple, 1,5 x 1,5 m. Les faces 11 et 12, d'une part, et les faces 2863729 5 11 et 13, d'autre part, forment ainsi deux dièdres droits respectivement d'arête 14 et 15. Ces deux arêtes de la face 11 communes aux faces 12 et 13 étant sécantes au point A. Selon la figure lb, les faces 12 et 13 ne sont plus carrées mais rectangles (par exemple 2 x 1,5 m). Les longueurs des rectangles sont les côtés des arêtes 12 et 13. Le format des rectangles étant par définition la longueur sur la largeur. Un axe A 17 sert d'axe de rotation et se situe dans un plan horizontal. Selon la figure 2 un plan horizontal 16 contient le plan OX /OY du trièdre de référence 23. Le trièdre de référence 23 est un trièdre direct orienté, avec l'axe Z positif vers le bas, conformément aux conventions en aéronautique. Son origine est déterminée par la position O de l'oeil théorique 18. Point pour lequel l'image est calculée et auquel un observateur est associé (position dans l'espace où se situe l'observateur qui utiliserait un seul oeil - oeil cyclope). L'axe A 17 est colinéaire à l'axe OX du trièdre de référence 23 et est situé dans le plan vertical en dessous. C'est-à-dire dans le plan OX/OZ du trièdre de référence 23. Selon la figure 3a l'ensemble décrit sur la figure lb est tourné d'un angle cp = 45 autour de l'axe A 17. Il s'agit d'une vue en perspective de dessus et en avant. Selon la figure 3b le même ensemble, par une optimisation, montre la face frontale 11, devenue rectangle, de même dimension que les faces latérales, orientée à gauche. Il s'agit d'une vue en perspective de dessus et en avant. Selon la figure 3c, par un souci de symétrie et en fonction de 1 application, 25 l'orientation peut être préférable à droite. Il s'agit d'une vue en perspective de dessus et en avant. Selon la figure 4 qui représente une vue de type isométrique, les 2 faces latérales 12 et 13 ne forment plus un dièdre droit avec la face frontale 11, mais s'ouvre très nettement. L'objectif est de permettre d'y loger devant, un observateur ou deux observateurs, placé(s) dans une cabine ou cockpit plus large. Selon la figure 5 on voit l'utilisation de ce Dispositif de restitution visuelle grands champs 3 fenêtres dans une configuration de type hélicoptère, soit avec une 35 cabine biplaces côte à côte. Selon la figure 6 qui visualise avec une projection de Hammer (projection équivalente de tout l'espace), la comparaison entre deux configurations permet de 2863729 6 constater l'avantage apporté par cette disposition d'écran. Notamment la possibilité d'avoir de l'image devant et en haut en même temps que dans des zones situées sur les côtés en bas. Ceci était strictement impossible avec trois fenêtres de visualisation seulement. Deux épures de visibilité sont représentées pour un ensemble de 3 fenêtres. Chaque ensemble a les mêmes champs pour chaque fenêtre. L'une 31, 32 et 33 concerne une configuration classique d'avant ce nouveau concept, l'autre 11, 12 et 13 concerne le nouveau concept (SRV3-H). La graduation de la projection de Hammer est tous les 10 . L'observateur 18 se place, forcément, à l'intersection des médianes horizontale et verticale. 10 Le système retenu de projection consiste à lier physiquement un projecteur à un écran. On doit placer le projecteur derrière l'écran. Si la place est limitée, on peut utiliser un miroir, qui dévie le faisceau et raccourcie donc la distance à l'écran. L'usage de ce nouveau dispositif ne se limite pas à un simulateur d'aéronef mais peut être exploité dans la simulation de conduite automobile, navale et même à des fins ludiques telles que pour un stand de tir ou des parcours à ski ou en luge. Une autre application consiste à rendre asymétrique l'épure de visibilité par légère rotation de l'ensemble autour de axe A 17. De la sorte, on peut privilégier la partie gauche ou droite de la restitution visuelle pour des applications particulières telles que l'appontage sur un porte-avions, le largage pour le transport militaire, qui tous deux se font toujours du même côté. De même une légère rotation autour de l'axe Y permet d'améliorer l'épure de visibilité en fonction de 1 application. La présente invention permet également d'incruster dans l'image frontale une symbologie de type tête haute qui se situe généralement autour du plan horizontal. Par ailleurs, l'usage de la stéréoscopie est possible (ne dépend que de l'architecture de la chaîne de calcul), de même que l'utilisation d'images fixes ou enregistrées. Applications envisagées: 1) remplacement d'un site sphère, 2) création d'un site de restitution visuelle grands champs à bas coût, 3) site expérimental de restitution visuelle pour: - viseur de casque, démonstrateur de Base de Données, 4) toute forme de restitution visuelle à partir de trois fenêtres pour divers simulateurs: - d'avions, - de voitures, - de bateaux, etc. 5) toute forme de restitution visuelle de trois fenêtres pour divers simulateurs ludiques réels ou virtuels: ski, luge, tir, etc. - parcours immersif, - home cinéma numérique etc. 6) toute forme de restitution visuelle de trois fenêtres pour usage professionnel ou institutionnel: - 2863729 7 cabinet d'architecte, - urbaniste, service technique régionaux, etc. - instituts, universités, etc. - parc d'exposition: de la Villette, etc. 7) affichage événementiel. L'ensemble peut aussi être réalisé à une échelle différente. Exemple: 1,5 ou 0,8 voir 0,5 ce qui permet de mettre la tête confortablement dans la "boîte". On peut même envisager de remplacer la rétro projection par des afficheurs plasma ou autres en fonction de la technologie à venir. On obtient ainsi un système très petit et haut de gamme avec seulement trois fenêtres de visualisation. Fig. l a Cube écorché à 3 faces Fig.lb Idem avec 2 faces plus grandes Fig. 2 Référentiel et trièdre de référence Fig.3a Cube à 3 faces après rotation autour de l'axe A Fig.3b Même cube avec face frontale rectangle à gauche Fig.3c Même cube avec face frontale rectangle à droite Fig.4 Vue perspective Fig.5 SRV3-H avec une cabine biplace de type hélicoptère Fig. 6 Epure de visibilité comparative en projection de Hammer Elément 10 Cube écorché Elément 11 Face frontale Elément 12 Face latérale droite Elément 13 Face latérale gauche Elément 14 Arête entre faces frontale et latérale droite Elément 15 Arête entre faces frontale et latérale gauche Elément 16 Plan horizontal Elément 17 Axe A Elément 18 OEil théorique de l'observateur Elément 19 Cabine biplace côte à côte Elément 20 SRV3-H en position réelle Elément 23 Trièdre de référence Elément 31 Champ image frontale en configuration classique Elément 32 Champ image latérale droite en configuration classique Elément 33 Champ image latérale gauche en configuration classique 8 REVENDICATIONS 1. Dispositif de restitution visuelle comprenant une pluralité d'écrans (11, 12, 13) plats, au moins trois pour composer un écran frontal (11) et deux écrans latéraux (12, 13), qui, associés deux à deux en dièdres caractérisé en ce que lesdits dièdres sont d'angles quelconques mais peuvent être droits et que l'arête (14, 15) de chacun des dièdres est ni orthogonale ni parallèle à chacun des plans formés par les axes du trièdre de référence (23) ayant pour origine l'oeil théorique (18). 2. Dispositif de restitution visuelle selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux écrans latéraux (12, 13) peuvent être déplacés en glissant le long des arêtes (14, 15). 3. Dispositif de restitution visuelle selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux écrans latéraux (12, 13) sont disposés le long de l'arête (14) orthogonales à l'arête (15) de l'écran frontal (11). 4. Dispositif de restitution visuelle selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble de la configuration en trois écrans (11, 12, 13) peut être orienté de façon quelconque par rapport au trièdre de référence (23). 5. Dispositif de restitution visuelle selon la revendication 1 caractérisé en ce que deux écrans contigus sont raccordés strictement bord à bord. 6. Dispositif de restitution visuelle selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque écran est associé à, au moins, un dispositif de production d'images qui n'appartient pas à l'invention. 7. Dispositif de restitution visuelle selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les écrans sont des polygones à quatre côtés de format identique ou différent au format vidéo.