Brevet FR3149698A1 — publié le 20241213

Lunettes de réalité augmentée (1) pour les sports de course comportant notamment un écran (11) haut et étroit disposé entre les yeux (20) de l’utilisateur (2). Ces lunettes permettent à l’utilisateur de voir, en superposition de l’environnement réel, un point lumineux virtuel (3) apparaissant comme projeté sur le sol (4) devant lui. Le point lumineux sert de « lièvre » : il progresse sur le sol suivant une allure de consigne prédéfinie par l’utilisateur, de sorte que ce dernier n’a qu’à suivre le point pour respecter ladite allure. Dispositif de contrôle d’allure affichant un point lumineux en réalité augmentée L’invention s’inscrit dans le domaine des solutions d’assistance à la pratique sportive. Plus spécifiquement, l’invention concerne les systèmes et méthodes permettant aux pratiquants des sports de course de contrôler leur allure. 1. Le contrôle d’allure dans les sports de course Dans la pratique des sports de course, à l’entraînement ou en compétition, la maximisation des performances repose souvent sur le respect d’une allure prédéterminée. Mais respecter une allure précise est difficile. Les sportifs ont donc couramment recours à des solutions d’assistance, que l’on peut classer en deux catégories : Catégorie 1 : les méthodes utilisant une cible se déplaçant à l’allure voulue et qu’il suffit de suivre. La cible est par exemple un sportif spécialisé (appelé familièrement « lièvre »), un véhicule, ou encore une cible lumineuse projetée sur le sol depuis un véhicule. La cible peut également être figurée par un chenillard lumineux, disposé le long du parcours. Catégorie 2 : les appareils électroniques individuels dotés d’un récepteur GPS, tels les montres de sport, qui mesurent la vitesse du sportif et lui signalent le non-respect de l’allure par un affichage sur écran ou un message sonore. Les méthodes de la catégorie 1 sont d’utilisation instinctive, mais elles sont difficiles à mettre en œuvre. Les appareils de la catégorie 2 sont simples à mettre en œuvre, mais ils sont peu instinctifs et donc en pratique peu efficaces quand toute l’attention est absorbée par l’effort. Le brevet FR3121612 décrit un dispositif de contrôle d’allure à la fois facile à mettre en œuvre - car individuel et portatif - et d’utilisation instinctive - car basé sur le principe de la poursuite d’une cible. Il utilise un laser pour projeter sur le sol un point lumineux qui progresse à l’allure voulue. Le point joue ainsi le rôle d’un petit animal autonome qui courrait devant l’utilisateur suivant l’allure de consigne. L’utilisateur n’a plus qu’à le suivre, comme il suivrait un « lièvre » humain. Si l’utilisateur court trop vite, il rattrape peu à peu le point. S’il court trop lentement, le point le distance. S’il s’arrête brusquement, le point continue son chemin à l’allure de consigne. L’inconvénient d’un tel dispositif réside dans la puissance requise par le projecteur, surtout lors d’une utilisation en plein soleil. Le dispositif objet de la présente invention est similaire à celui décrit dans FR3121612. Il s’en distingue néanmoins par le fait qu’il ne projette pas une cible lumineuse sur le sol de façon réelle, mais virtuelle, au travers de lunettes de réalité augmentée, résolvant ainsi le problème de puissance du projecteur. 2. Les lunettes de réalité augmentée Les technologies dites de « réalité augmentée » sont celles qui permettent l’incrustation réaliste d’objets virtuels dans l’image d’un environnement réel. Un exemple connu est celui des applications mobiles d’aménagement intérieur : on regarde son salon via la caméra de son téléphone mobile, et on peut y ajouter en surimpression, par exemple, un canapé virtuel. Dans le langage courant, on appelle « lunettes de réalité augmentée » toutes les lunettes transparentes dotées d’un dispositif optique permettant d’incruster dans le champ visuel une image issue d’un écran. Cette image est collimatée, c’est-à-dire qu’elle apparait à l’utilisateur comme positionnée loin devant lui, ce qui permet de la voir nettement sans avoir à accommoder. Néanmoins, de nombreux modèles de lunettes de réalité augmentée sont mal nommés, car ils ne proposent en réalité que la fonction « d’affichage tête haute ». Cette fonction permet à un sportif, par exemple, d’avoir présent en permanence dans son champ de vision des données physiologiques telles que sa vitesse et son rythme cardiaque. Dans ce cas, il n’y a pas d’intégration réaliste d’objets virtuels au paysage réel, donc pas de réalité augmentée à proprement parler. Schématiquement, on peut séparer les lunettes de réalité augmentée en deux groupes : Les lunettes de première génération, utilisant des écrans larges et des miroirs semi-transparents. Elles ont l’avantage de permettre un large champ de vision ( Field-of- View en anglais) et une région oculaire étendue ( eyebox en anglais), mais ont le défaut d’être encombrantes. Les lunettes des générations ultérieures, basées sur des technologies plus récentes (guides d’ondes, micro-projecteurs…). Elles sont moins encombrantes, mais ont le handicap d’être restreintes en termes de champ de vision et de région oculaire. Un des objectifs de la présente invention est de proposer des lunettes de réalité augmentée peu encombrantes, mais néanmoins dotées d’un champ de vision large (avec une particularité que nous expliquerons) et d’une région oculaire étendue. Représentation schématique d’une coureuse à pied équipée du dispositif objet de l’invention, selon un mode particulier de réalisation et d’utilisation de l’invention. Vue de côté schématique du dispositif objet de l’invention, en coupe, selon un mode particulier de réalisation de l’invention. Vue de dessus schématique du dispositif objet de l’invention, en coupe, selon un mode particulier de réalisation de l’invention. Vue schématique de deux dispositifs de l’état de l’art. Présentation de l'invention Dans la suite du document, les paragraphes ne commençant pas par la mention « Dans une variante » ou « Dans des variantes » concernent le mode particulier de réalisation et d’utilisation représenté dans les figures 1, 2 et 3. Au contraire, les paragraphes commençant par « Dans une variante » ou « Dans des variantes » concernent d’autres modes d’utilisation ou de réalisation de l’invention. Le dispositif (1) objet de l’invention est une paire de lunette de réalité augmentée portée par à une coureuse à pied (2). Dans des variantes, le dispositif prend la forme d’une visière fixée sur un casque, ou bien il est solidaire d’un support maintenu contre le front par une sangle élastique faisant le tour de la tête. À travers ces lunettes, la coureuse peut voir son environnement par transparence, mais également un point lumineux (3) virtuel, apparaissant comme projeté sur le sol (4) à une distance (d) devant elle. Tout comme dans FR3121612, le point lumineux sert de « lièvre » : il se déplace suivant une allure de consigne prédéfinie par la coureuse, de sorte qu’elle n’a qu’à le suivre pour respecter ladite allure. La projection du point lumineux (3) dans le champ visuel de la coureuse est accomplie par l’allumage d’un unique pixel (12) de l’écran courbe (11), une partie de la lumière issue de ce pixel étant réfléchie par le miroir semi-réfléchissant (10) vers les yeux (20) de la coureuse. Dans des variantes, le point lumineux (3) est remplacé par une ligne ou par tout autre objet virtuel, impliquant éventuellement l’allumage de plusieurs pixels de l’écran (11). La distance horizontale (d) perçue par la coureuse entre elle-même et le point lumineux (3) est rendue indépendante de ses hochements de tête. À cet effet, le dispositif objet de l’invention comporte une centrale à inertie (15) chargée de mesurer l’orientation du dispositif, et un microcontrôleur (13) chargé de choisir le bon pixel à allumer en fonction de ladite orientation. Le microcontrôleur (13) est également chargé de faire se mouvoir sur le sol (4) le point lumineux (3) à l’allure de consigne prédéterminée par la coureuse. Description du moyen d’affichage tête haute Pour intégrer le point lumineux (3) dans le champ visuel de l’utilisateur, le dispositif objet de l’invention s’inspire de techniques utilisées dans certaines lunettes de réalité augmentée existantes, celles qui combinent écrans larges et miroirs semi-réfléchissants à forme libre ( freeform mirror en anglais). La illustre le mode de fonctionnement de ces lunettes de l’état de l’art : Deux écrans (30), d’une taille pouvant dépasser les cinq centimètres en largeur et hauteur, sont placés au niveau du front de l’utilisateur, au-dessus des yeux (20), parallèlement à la ligne des sourcils. Selon les modèles, les écrans font face au sol (schéma de gauche) ou sont inclinés vers l’arrière (schéma de droite). La lumière projetée par chaque écran est réfléchie vers l’œil de l’utilisateur par un miroir semi-réfléchissant concave. L’inconvénient de tels dispositifs apparaît clairement sur la : la taille des écrans (donc des miroirs) et leur position rendent l’ensemble protubérant, donc inesthétique, encombrant et inconfortable. Or, malheureusement : il est impossible de déplacer les écrans pour qu’ils dépassent moins, sous peine de les mettre devant les yeux de l’utilisateur ou de heurter son front ; et il n’est pas souhaitable de réduire la taille des écrans, car les lois de l’optique entraînent alors une réduction du champ de vision ( Field-of- View en anglais, la zone du miroir dans laquelle l’image projetée est visible) et de la zone de perception ( eyebox en anglais, la zone du miroir en face de laquelle doit obligatoirement se trouver la pupille). Dans la présente invention, à la différence de l’état de l’art, l’écran (11) est haut (plusieurs centimètres) et étroit, de sorte qu’il puisse être placé entre les yeux de l’utilisateur. Cette configuration entraîne les caractéristiques suivantes : les lunettes sont moins protubérantes, le champ de vision verticale est étendu, le champ de vision horizontale est étroit. Comme nous le verrons par la suite, ces caractéristiques originales sont précisément celles qui nous intéressent pour la présente invention. L’écran (11) est disposé de telle sorte que sa lumière soit projetée vers le miroir (10) et non directement vers les yeux de l’utilisateur. En fonction de la technologie d’écran utilisée, il peut être nécessaire d’ajouter un masque pour occulter l’écran aux yeux de l’utilisateur. Dans des variantes, l’écran (11) est remplacé par tout type d’afficheur ou de source lumineuse, ces moyens alternatifs constituant des exemples de projecteur de points lumineux. Le miroir semi-réfléchissant (10) est monobloc et placé devant les deux yeux de l’utilisateur. Il permet à ce dernier de voir son environnement par transparence, mais également à une partie de la lumière issue de l’écran (11) d’être réfléchie vers ses yeux (20). Dans des variantes, le dispositif ne projette de lumière que dans un seul œil, ou bien deux miroirs séparés sont utilisés, un pour chaque œil. Une autre caractéristique souhaitable du miroir (10) est que tous les rayons lumineux issus d’un même point de l’écran (11), lorsqu’ils sont réfléchis dans l’axe du regard de l’utilisateur, entrent dans la pupille en étant parallèles entre eux. Cette propriété, appelée collimatage, permet que l’image projetée dans l’œil de l’utilisateur lui apparaisse comme formée à l’infini, ne nécessitant donc de sa part aucune accommodation pour être perçue comme nette. Les formes exactes de l’écran (11) et du miroir (10) sont le fruit d’un arbitrage. Le calcul optique d’un projecteur et d’un miroir à forme libre, que l’homme de l’art réalise à l’aide de logiciels spécialisés, a rarement une solution parfaite. En effet, toute tentative de réduire un défaut optique (aberration, collimatage partiel…) en renforce généralement un autre. Le programme du microcontrôleur (13) est chargé d’allumer et d’éteindre les pixels de l’écran (11) de sorte que le point lumineux (3) apparaisse comme projeté sur le sol (4) selon un angle (b) par rapport au dispositif. Par exemple, sur la , le pixel (12) est allumé. Sa lumière est partiellement réfléchie par le miroir (10) vers l’œil (20). En conséquence, l’utilisateur croit voir le point lumineux selon un angle (b) valant environ 40°. Description du moyen de réalité augmenté Les véritables lunettes de réalité augmentée ne se cantonnent pas à la fonction « d’affichage tête haute », mais permettent l’intégration réaliste d’objets virtuels au champ visuel. Elles comportent donc nécessairement un mécanisme de compensation des mouvements de l’utilisateur, de sorte que lorsque ce dernier bouge la tête, les objets virtuels se déplacent dans son champ de vision en sens contraire afin de donner l’impression qu’ils sont immobiles dans le monde réel. Dans la présente invention, cette compensation de mouvement n’est nécessaire que dans la dimension verticale ; elle est inutile dans la dimension horizontale. En effet, quand l’utilisateur tourne la tête de droite à gauche, on souhaite que le point lumineux, projeté virtuellement sur le sol, tourne également de droite à gauche pour rester devant le regard de l’utilisateur. Aucune compensation de mouvement n’est donc requise dans ce cas. Par contre, lorsque l’utilisateur hoche la tête, on souhaite que le point lumineux donne l’illusion de rester sur le sol à une distance (d) constante de l’utilisateur. Le pixel allumé (12) doit donc se « déplacer » verticalement sur l’écran (11) pour compenser le mouvement de hochement de tête. Ce besoin spécifique (compensation des seuls mouvements de tête verticaux) correspond parfaitement aux caractéristiques optiques du dispositif objet de l’invention, à savoir un champ de vision verticale étendu et un champ de vision horizontale étroit. La centrale à inertie (15) transmet au programme du microcontrôleur (13) les informations nécessaires au calcul de l’orientation du dispositif dans l’espace, ladite centrale à inertie constituant un exemple de moyen de connaître l’angle (c) du dispositif par rapport à la verticale (qui vaut 90° sur la ). En cas de variation de (c), le programme du microcontrôleur (13) agit sur l’angle (b) pour maintenir constant l’angle (a) entre la direction du point lumineux (3) et la verticale. Cela a pour effet de maintenir constante la distance horizontale (d) entre l’utilisateur et le point lumineux (3) quand l’utilisateur hoche la tête. Description du moyen de contrôle d’allure L’interface Bluetooth (14) permet de connecter le dispositif à une montre de sport munie d’un récepteur GPS, et ainsi : de connaître l’allure de l’utilisateur ; et de permettre la saisie depuis la montre : de l’allure de consigne (cette dernière pouvant être variable au cours du temps, par exemple fonction du relief), et de la hauteur (h) du dispositif par rapport au sol. Dans une variante indépendante de tout appareil externe, le dispositif comprend : un récepteur GPS, qui constitue un autre exemple de moyen de connaître l’allure du dispositif ; et une interface utilisateur permettant la saisie de données, basée sur l’écran (11) et sur un bouton tactile situé sur une branche des lunettes, ladite interface utilisateur constituant un autre exemple de moyen de connaître l’allure de consigne et la hauteur (h). À partir de l’allure du dispositif, de l’allure de consigne et de la hauteur (h), le programme du microcontrôleur (13) imprime à l’angle (a) une vitesse angulaire calculée de sorte que le point lumineux (3) apparaisse à l’utilisateur comme se déplaçant sur le sol suivant l’allure de consigne. L’inclinaison du sol introduit une imprécision qu’il est avantageux de corriger. À cet effet, l’interface Bluetooth (14) permet de connecter le dispositif à une montre de sport, d’en recevoir l’altitude GPS et d’en déduire l’inclinaison du sol. Dans une variante, le dispositif comprend un altimètre barométrique qui permet de calculer l’inclinaison du sol par dérivation de l’altitude, ledit altimètre constituant un autre exemple de moyen de connaître périodiquement l’inclinaison du sol. Le programme du microcontrôleur (13) tient compte de l’inclinaison du sol dans le calcul de la vitesse angulaire de l’angle (a). Les mathématiques utilisées pour calculer la vitesse angulaire de l’angle (a) sont les mêmes que celles présentées dans FR3121612. Dispositif de réalité augmentée (1) comprenant : un écran numérique (11) ou tout autre type de projecteur de points lumineux, caractérisé en ce qu’il mesure plusieurs centimètres de haut et qu’il est disposé entre les yeux de l’utilisateur ; au moins un miroir semi-réfléchissant (10) disposé devant au moins un œil (20) de l’utilisateur (2), caractérisé en ce qu’il permet : à l’utilisateur de voir, par transparence, tout ou partie de son environnement ; et à une partie de la lumière issue de l’écran (11) d’être réfléchie vers l’œil ou les yeux de l’utilisateur. Le dispositif de la revendication précédente, comprenant en outre un microcontrôleur (13) chargé d’allumer et d’éteindre les pixels de l’écran (11) de sorte que l’utilisateur ait l’illusion de voir un objet virtuel (3) projeté sur le sol (4) selon un angle ajustable (b) par rapport au dispositif. Le dispositif de la revendication précédente, comprenant en outre un moyen (15) de connaître l’angle (c) du dispositif par rapport à la verticale, et où, en cas de variations de (c), le microcontrôleur (13) agit sur l’angle (b) de sorte que l’angle (a) entre la direction de l’objet virtuel (3) et la verticale reste constant. Le dispositif de la revendication précédente, comprenant en outre un moyen (14) de connaître périodiquement : l’allure du dispositif ; une allure de consigne ; et la hauteur (h) du dispositif par rapport au sol (4) ; et où le microcontrôleur (13) fait varier dynamiquement l’angle (a) de sorte que l’objet virtuel (3) apparaisse à l’utilisateur (2) comme se déplaçant par rapport au sol (4) suivant l’allure de consigne. Le dispositif de la revendication précédente, comprenant en outre un moyen (14) de connaître périodiquement l’inclinaison du sol (4), et où le microcontrôleur (13) en tient compte dans le calcul de l’angle (a) pour renforcer l’impression que l’objet virtuel (3) se déplace par rapport au sol (4) suivant l’allure de consigne.