# Existe-t-il un lien entre le réalisme visuel d'une scène dans un environnement 3D et sa compréhension par un observateur ?

William Vasseur

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William Vasseur. Existe-t-il un lien entre le réalisme visuel d'une scène dans un environnement 3D et sa compréhension par un observateur ? . Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain. 2024. dumas-04759299

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Mémoire de Master 2

Mention : Master Audiovisuel, Médias Interactifs Numériques, Jeux

Spécialité : Gamification, Apprentissages, iMmersion et ingEnierie de conception

Année universitaire : 2023 - 2024

# Existe-t-il un lien entre le réalisme visuel d'une scène dans un environnement 3D et sa compréhension par un observateur ?

Soutenu par : William VASSEUR
le 26/06/2024

Directeur(s) de mémoire : David PANZOLI

Maître(s) de stage :
# Table des matières

<table><tr><td>1</td><td>Note</td><td>3</td></tr><tr><td>2</td><td>Introduction</td><td>4</td></tr><tr><td>3</td><td>État de l'art</td><td>5</td></tr><tr><td>3.1</td><td>Contexte et définitions</td><td>5</td></tr><tr><td>3.1.1</td><td>La conception 3D et ses utilisations</td><td>5</td></tr><tr><td>3.1.2</td><td>Les différents rendus 3D</td><td>8</td></tr><tr><td>3.1.3</td><td>La perception visuelle</td><td>13</td></tr><tr><td>3.2</td><td>Cadre théorique</td><td>15</td></tr><tr><td>3.2.1</td><td>Perception et compréhension visuelle</td><td>15</td></tr><tr><td>3.2.2</td><td>Universalité et description</td><td>16</td></tr><tr><td>3.2.3</td><td>Discrimination d'éléments</td><td>17</td></tr><tr><td>3.2.4</td><td>L'imagerie mentale</td><td>18</td></tr><tr><td>4</td><td>Experimentation</td><td>19</td></tr><tr><td>4.1</td><td>Méthode de l'expérimentation</td><td>19</td></tr><tr><td>4.1.1</td><td>Définition du projet d'expérimentation</td><td>19</td></tr><tr><td>4.1.2</td><td>Cible</td><td>20</td></tr><tr><td>4.1.3</td><td>Le niveau de réalisme</td><td>20</td></tr><tr><td>4.1.4</td><td>La description textuelle</td><td>23</td></tr><tr><td>4.2</td><td>Matériel d'expérimentation</td><td>24</td></tr><tr><td>4.2.1</td><td>Conception</td><td>24</td></tr><tr><td>4.2.2</td><td>Création du programme</td><td>25</td></tr><tr><td>5</td><td>Résultats et analyses</td><td>28</td></tr><tr><td>5.1</td><td>Résultats bruts</td><td>28</td></tr><tr><td>5.1.1</td><td>Résultats textuels des deux groupes</td><td>28</td></tr><tr><td>5.1.2</td><td>Graphiques</td><td>29</td></tr><tr><td>5.2</td><td>Analyses des résultats</td><td>30</td></tr><tr><td>5.2.1</td><td>Interprétation directe des résultats</td><td>30</td></tr><tr><td>5.2.2</td><td>La contrainte de temps</td><td>31</td></tr></table>
<table><tr><td>5.2.3 Les descriptions d'éléments et d'environnement</td><td>32</td></tr><tr><td>6 Conclusion et perspectives</td><td>33</td></tr></table>
## Note

Passionné par la modélisation 3D depuis quelques années, j'ai au fil de mes projets scolaires et professionnels appris à réaliser des scènes 3D pour des utilisations variées. J'aime la capacité qu'a la conception 3D à transcrire à son observateur dans un espace en trois dimensions cohérent. Les objets, les textures et la lumière permettent de créer des ambiances, de représenter des scènes, d'imager des concepts difficiles à comprendre, ou même de représenter des lieux réels. Au fil de mon évolution dans l'apprentissage de la 3D, j'ai affectionné particulièrement le rendu qu'on appelle "réaliste", le plus proche de la réalité. Sans forcément représenter des lieux réels, le rendu réaliste permet de rendre un environnement tangible, y compris pour des univers fictifs et fantastiques. Néanmoins, certains types de rendus moins réalistes sont parfois avantageux, car moins coûteux et moins long à produire. En réalisant des projets 3D variés, tant dans leur utilisation que dans leur rendu graphique, j'ai commencé à réfléchir à un éventuel lien entre l'aspect graphique d'un rendu 3D, et la compréhension globale qu'en avait son observateur. Par compréhension, j'entends les déductions et interprétations du cerveau en lien avec la perception visuelle : situer et décrire des objets, reconnaître un type d'environnement, identifier des éléments manquants ou inappropriés. Grâce à ce mémoire, j'ai la possibilité de réaliser un travail de recherche scientifique pour j'espère répondre à mon questionnement.
# Introduction

L'avènement des technologies numériques a révolutionné de nombreux domaines, notamment celui de la conception 3D. La visualisation de scènes en trois dimensions offre la possibilité de transmettre visuellement un espace sur un écran. Ce mémoire propose d'explorer les liens complexes entre le rendu graphique d'une scène 3D et la compréhension de son observateur. En examinant des études antérieures, des ouvrages de référence et des travaux pratiques, nous chercherons à analyser les différentes étapes de la compréhension, et comment les nouvelles technologies cherchent à se rapprocher du réel.

Notre mémoire traite ici de la compréhension grâce à la perception visuelle, ainsi, nous ne traiterons pas toutes les facettes de l'immersion que peut apporter un environnement 3D, telles que l'interaction, les déplacements ou encore la vision périphérique (présente notamment lorsque l'on utilise un casque de réalité virtuelle).

Cette recherche a pour but scientifique d'en apprendre davantage sur les interprétations psychiques des individus lors de visualisation d'environnement en 3D. En étudiant la compréhension visuelle d'une scène 3D grâce à une étude expérimentale, il sera possible d'établir une corrélation entre le choix graphique des éléments 3D et son impact sur la compréhension qu'en a l'observateur.

Étant en alternance dans une entreprise du secteur de l'aérospatial, une telle recherche autour de la compréhension visuelle d'une scène 3D peut m'apporter des connaissances, directement applicables dans mes activités. Les technologies utilisant la 3D sont de plus en plus nombreuses dans le milieu professionnel, et celles-ci diffèrent de par leur utilisation. Ainsi, ce mémoire me permettra de défendre un choix graphique plutôt qu'un autre lors de conception de projets.

L'objectif est donc d'apporter une réponse quant à l'existence d'un lien entre réalisme et compréhension visuelle dans un environnement. Pour ce faire, nous définirons d'abord dans ce mémoire les différentes utilisations des modèles 3D, ainsi que les différentes techniques de rendu, qui influent sur leur aspect. Nous verrons ensuite comment le spectateur comprend une scène, à savoir comment son cerveau interprète les informations visuelles. Nous analyserons ensuite des études et des ouvrages traitant de la compréhension visuelle. Grâce à ses informations, nous réaliserons une étude expérimentale, afin de trouver et d'expliquer un éventuel lien entre le rendu graphique d'une scène 3D et la compréhension qu'a l'observateur de celle-ci. Puis, nous analyserons les données de cette étude, en nous appuyant sur les études vues précédemment, afin d'en tirer une conclusion relative à notre problématique.
# État de l'art

## 3.1 Contexte et définitions

### 3.1.1 La conception 3D et ses utilisations

Un modèle maillé 3D est une représentation d'un objet tridimensionnel qui se compose de points, appelés sommets ou vertices, de lignes ou arêtes, et faces ou polygones, voir figure 3.1a. Ces éléments sont utilisés conjointement pour définir la forme de l'objet 3D modélisé.

Ces modèles peuvent ensuite être habillées d'un matériau, qui leur donnera l'aspect graphique souhaité, voir figure 3.1b. Ces matériaux sont créés grâce à des textures, des images en 2D où le modèle 3D sera découpé en patrons, qu'on appelle UV, pour projeter ces textures. Les textures peuvent être utilisées pour la couleur, la rugosité, ou encore le relief. Les modèles 3D peuvent être modifiés dans un plan temporel, afin de les animer, grâce à plusieurs techniques tel qu'un squelette (pour animer un personnage humain) ou encore de la physique (pour animer une balle qui rebondit).

Ils peuvent ensuite être placés dans une scène en 3 dimensions spatiales, voir figure 3.1c. Cette scène peut être munie de lumières et de caméras, afin de rendre une ou plusieurs images.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>FIGURE 3.1 – Principes fondamentaux de la 3D</figcaption></figure>
La modélisation 3D est utilisée dans de nombreux domaines, et se démocratise grâce à son rendu visuel doté de profondeur et de volume, de plus en plus performant grâce aux avancées technologiques.

Le jeu-vidéo est le premier acteur de la démocratisation de la 3D dans l'audiovisuel. Dans les années 80-90, des jeux comme "Battlezone" (Atari, 1980), "Alone in the Dark" (Infogrames, 1992) ou encore "Doom" (id Software et Bethesda, 1993) révolutionnent le monde du jeu-vidéo grâce à des environnements en 3 dimensions. D'abord vectorielle puis calculée en temps réel, la 3D s'est vue évoluer grâce aux évolutions technologiques (les cartes graphiques particulièrement). Au fil du temps, la 3D s'est imposée dans la plupart des jeux-vidéo actuels, grâce à ses qualités immersives et à son accessibilité grâce aux logiciels d'aujourd'hui. Les environnements en 3D permettent aux joueurs de se déplacer dans un espace virtuel plus réaliste (espace à 3 dimensions, comme dans la réalité). Certains types de jeux comme les Open-World<fnref n="1" /> récents, utilisent ces environnements 3D au maximum de leur capacité en créant des mondes tangibles accessibles, et remplis de faune et de flore. Ces jeux-vidéos en 3D permettent également au joueur de se situer dans un univers fictif, dans l'espace et le temps. Les directions artistiques des jeux permettent aux joueurs qui observent autour d'eux, de comprendre leur situation individuelle au sein de l'histoire, et d'en apprendre plus sur elle-même dans l'univers où ils sont plongés.

L'industrie cinématographique est le second acteur de la démocratisation de la 3D. Dans le film "Les Dents de la Mer 3" de Joe Alves, sorti en 1983, l'infographie 3D est utilisée pour réaliser les effets spéciaux pour la première fois à Hollywood. Depuis, les effets spéciaux en 3D sont très présents au cinéma, permettant de créer des environnements ou des organismes complètement fictifs.

En 1993, sort "Toy Story", premier film d'animation entièrement en image de synthèse, par le studio Pixar. Puis, d'autres ont suivi, comme le film "Final Fantasy : Les Créatures de l'esprit" de Hironobu Sakaguchi, sorti en 2001, ou encore "Shrek" de DreamWorks, sorti également en 2001.

En s'affranchissant des techniques 2D, la 3D permet de rapidement se déplacer dans l'espace, en tournant autour d'un objet pour montrer son volume, ou en avançant dans un paysage pour montrer sa profondeur. Plus faciles à réaliser que les films en 2D (dessin images par images), la 3D s'est également démocratisé dans la réalisation de films entiers au fur et à mesure des avancées technologiques.

<footnote n="1">1. Les Open-Worlds sont une catégorie de jeux-vidéos qui laisse la possibilité au joueur de se déplacer dans un monde ouvert, souvent immense</footnote>
Aujourd'hui, des films comme Avatar (James Cameron, 2009), ou encore Valerian (Luc Besson, 2017) filment des acteurs réels et les plongent dans des environnements entièrement en 3D. Grâce aux techniques de fonds verts 2, ou plus récemment des murs LED 3, les acteurs sont placés dans des environnements complètement artificiels, créés en 3D. Ainsi, l'immersion du spectateur dans l'univers est accrue, grâce à l'intégration visuelle cohérente des acteurs dans les environnements de synthèses.

Dans les milieux professionnels, la 3D est également de plus en plus utilisée. De nombreux domaines variés utilisent cette technologie dans le but de faciliter la vie à l'Homme.

Dans le milieu de la santé, l'imagerie médicale utilise la 3D dans la visualisation des organes, autant pour l'apprentissage que pour la pratique réelle 4. Ou encore, les impressions 3D de prothèses pour la chirurgie 5, ou le soin de certaines pathologies grâce à l'immersion en réalité virtuelle.

Dans le milieu de l'immobilier, la 3D permet de visiter des espaces avant des travaux, ou géographiquement trop éloignés.

Dans le milieu de la construction, la visualisation et la conception virtuelle de lieux et de bâtiments permet de visualiser un chantier avant sa construction. Des scanners peuvent numériser un terrain, grâce à de la photogrammétrie 6, afin d'adapter en amont leur construction sans contraintes.

Dans les industries plus techniques, la 3D permet aux ingénieurs de visualiser, de tester et d'étudier les formes et les matériaux.

Les environnements 3D peuvent également servir lors de sessions d'apprentissage virtuelles, notamment grâce aux simulations ou aux serious-games 7, en plongeant l'apprenant dans un environnement similaire à son lieu de travail. Les techniques de conception de ces modèles d'apprentissages sont proches de celles du jeu-vidéo.

<footnote n="2">2. La technique des fonds verts est une technique de cinéma consistant a filtrer un ou des acteurs dans un studio de couleur verte. Afin de faciliter le travail des infographistes chargés d'introduire les éléments 3D en post-production</footnote>

<footnote n="3">3. Le moteur de jeu Unreal Engine permet désormais de visualiser en temps réel des environnements photoréaliste. Des studios utilisent cette technique pour filtrer en direct les acteurs devant des écrans LED, projetant des environnements fictifs, réduisant ainsi le travail de post-production</footnote>

<footnote n="4">4. Ces différentes utilisations de la 3D en imagerie médicale sont cités dans une célèbre conférence de [James Duncan, 1997]</footnote>

<footnote n="5">5. Les impressions 3D permettent de réaliser des prothèses dans le milieu médical, l'ouvrage récent de [Herron, 2019] y décrit son histoire et ses utilisations</footnote>

<footnote n="6">6. La photogrammétrie est une technique qui consiste à utiliser un laser doté de rayons infrarouges, afin de scanner un environnement en trois dimensions, et le retranscrire virtuellement</footnote>

<footnote n="7">7. Les serious-game, ou jeu sérieux, sont un outil de formation ou de communication, utilisant les codes du jeux-vidéo au service des professionnels ou de l'éducation</footnote>
### 3.1.2 Les différents rendus 3D

Une fois le ou les modèles 3D modélisés, et texturés, ceux-ci sont disposés dans un espace 3D pour former une scène. Afin de visualiser cette scène, une caméra et des lumières virtuelles sont placées dans celle-ci. L'ordinateur doit alors calculer comment réfléchissent les sources de lumière sur les différents objets de la scène. On appelle ce procédé, le rendu 3D. Grâce aux matériaux appliqués aux modèles 3D, un élément sera plus ou moins brillant, transparent, rugueux ou encore en relief.

Le rendu d'une scène est réalisé en amont, si elle est visionnée en différée (films, court-métrages, images fixes, vidéos, ...). Des logiciels comme Blender, Maya, Cinema 4D, sont des logiciels de conception 3D, mais possèdent également leur propres systèmes de rendu.

En revanche, si un rendu doit être calculé en direct, on utilisera des moteurs “en temps réel” (jeux-vidéos, serious-game, simulations, ...)<fnref n="8" />. Ce type de rendu est conçu pour se déplacer, ou interagir avec la 3D, grâce à des scripts, ou de la physique. Aujourd'hui, des logiciels comme Unreal Engine, Unity ou Godot permettent de réaliser des projets 3D temps réel.

Un livre publié en 1999 nommé “Advanced 3D Photorealism Techniques”,<fnref n="9" /> explique les principes d'un rendu photoréaliste en 3D en imitant la diversité chaotique de la nature et son imperfection visuelle constante. Ces auteurs y énoncent l'importance de la lumière, comment elle se reflète sur les objets et l'éclairage global qu'elle apporte dans une scène. La différence de dureté des matériaux (en anglais Roughness) et leur aspect visuel lors de leur décomposition dans le temps. Cet ouvrage est un livre technique visant à apprendre le fonctionnement d'un rendu photoréaliste étape par étape, mais il est également un précurseur analytique d'un type de rendu aujourd'hui très utilisé.

Ce rendu, voulu le plus proche de la réalité possible, se concrétise au fil des avancées technologiques. Le terme de rendu physique réaliste (en anglais Physically Based Rendering, ou PBR) regroupe un ensemble de techniques de rendu d'une scène 3D, imitant le comportement de la physique et de la lumière de la réalité. Ce type de rendu a pour but de créer des modèles 3D ayant une apparence proche de la réalité. Dans le livre “Physically Based Rendering; From Theory to Implementation”,<fnref n="10" /> est expliqué le modèle de rendu 3D “PBR” et les détails d'implémentation pour pouvoir l'utiliser dans un système informatique.

<footnote n="8">8. Le livre "Real-Time Rendering", par [Eric Haines, 1999], explique les techniques utilisées pour générer des images 3D en temps réel, ainsi que leur principales utilisations</footnote>

<footnote n="9">9. Livre de [Fleming, 1999]</footnote>

<footnote n="10">10. Livre de [Matt Pharr, 2004]</footnote>
De cet ouvrage, découle les matériaux PBR, un modèle de regroupement de texture devenu standard et utilisé par la plupart des logiciels de conception 3D et de moteurs de rendus. Ce groupe de textures est constitué d'une texture par rôle : Base color ou Albedo (la couleur de base), Metallic (le niveau de métallique), Roughness (le niveau de brillance), et Normal (les reliefs), voir figure 3.2. Ensemble, ils forment un matériau PBR de base.

Les couleurs de chaque texture informent le logiciel des niveaux de rugosité, de métal, de brillance et de relief de l'objet selon les UV du modèle 3D. Ainsi, les réflexions de lumières sur des objets 3D sont réellement calculées lors du rendu, en fonction des matériaux de ceux-ci. Ces différentes textures qui constituent un matériau, sont des images carrées, dans une résolution en multiple de 8, afin d'optimiser la mémoire et la performance.

Plus une texture possède une haute résolution, plus l'objet 3D qui le projette aura des détails minutieux. En revanche, cette résolution a un poids, et pour des environnements qui possèdent des milliers d'objets 3D dans une scène, la résolution de leurs textures aura un impact sur le temps de rendu, ou la fluidité d'un rendu en temps réel.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>FIGURE 3.2 – Textures PBR
https://cghero.com/glossary/pbr-texturing</figcaption></figure>
De plus en plus de jeux-vidéos sont aujourd'hui photoréalistes, on peut notamment citer "Avatar Frontiere of Pandora"(voir figure 3.3) développé par Ubisoft et sorti en 2023, ou encore, dans un style moins fantaisiste et plus terre-à-terre, "Unrecord"(voir figure 3.4) développé par le studio français Drama prévu pour 2024, qui a énormément fait parler de lui à la sortie de sa bande-annonce, de par sa fidélité à la réalité.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>FIGURE 3.3 – Avatar : Frontiers of Pandora
https://insider-gaming.com avatar-frontiers-of-pandora-gameplay-details/</figcaption></figure>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>FIGURE 3.4 – Unrecord
https://www.numerama.com/jeux-video/unrecord/</figcaption></figure>
Unreal Engine est un moteur de rendu en temps réel, développé par Epic Games<fnref n="11" />. Il est le moteur qui a répandu la possibilité de réaliser des productions photoréalistes entièrement en 3D par le grand public. D'abord dans le jeu-vidéo, puis dans l'industrie du cinéma. Les développeurs de l'Unreal Engine, cherchent à démocratiser l'utilisation de leur moteur ultra-performant, en laissant libre accès aux kits de développement et au logiciel lui-même.

Son concurrent est Unity, plus utilisé dans l'industrie du jeu-vidéo car plus accessible. Cette démocratisation du réalisme est également accentuée par l'arrivée de Blender, un logiciel de conception 3D en open-source, qui a vu sa notoriété grandir grâce aux réseaux sociaux.

Concevoir un jeu en 3D photoréaliste demande une certaine expertise, ainsi que des moyens humains et techniques conséquents. Il existe alors des alternatives. Par exemple le Low Poly<fnref n="12" /> est une technique visant à avoir des maillage de modèles 3D relativement légers (voir figure 3.5). D'abord créé à cause des limites techniques, le Low Poly est aujourd'hui un style de rendu 3D à part entière, donnant une ambiance enfantine à une image. Pour les matériaux (shaders) des modèles Low Poly, le concepteur choisit le plus souvent d'utiliser des couleurs unies simples, ou des textures peintes à la main. Ce style de rendu est évidemment moins gourmand en ressources, mais également plus simple et rapide à produire. C'est pourquoi il est souvent utilisé dans des studio indépendants, plus restreints en nombre d'artistes. Il est également beaucoup utilisé pour donner à un univers un côté rétro, se rapprochant de la 3D des années 90 et du pixel-art en 2D. Certains artistes en ont fait leur direction artistique<fnref n="13" />.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>FIGURE 3.5 – Exemple de rendu Low Poly
https://www.behance.net/gallery/89934319/Low-Poly-Worlds</figcaption></figure>

<footnote n="11">11. L'article de [Serge.R, 2024] traite des innovations graphiques considérables qu'apporte Unreal Engine aux industries du jeux-vidéo et du cinéma</footnote>

<footnote n="12">12. Low Poly, pour low number of polygons en anglais, soit faible nombre de polygons</footnote>

<footnote n="13">13. Le concepteur [Chad Gregory Walker, 2001] explique les techniques de Low Poly dans le jeu-vidéo dans son livre "Game Modeling Using Low Polygon Techniques".</footnote>
Au-delà de son coût et de son accessibilité, le Low Poly est aujourd'hui utilisé pour des utilisations très avancées de la technologie. En réalité augmenté, en réalité virtuelle et en réalité mixte, le Low poly permet d'afficher beaucoup d'objets tout en gardant une fluidité d'images. Car les supports d'aujourd'hui ne possèdent pas les mêmes capacités techniques qu'un ordinateur ou une console puissante. Il permet également en réalité augmentée, d'afficher un élément précis, superposé et facilement dissociable de la réalité.

En dehors des rendus réalistes et Low Poly, il existe d'autres styles de 3D alternatifs. Par exemple, le Cell-Shading (ou ombrage de celluloïd en français) est une technique d'éclairage 3D permettant d'avoir un rendu cartoon avec des contours noirs et un ombrage en aplat (voir figure 3.6). Ou encore le Voxel, une forme de pixel-art 14 en 3 dimensions, consistant à empiler des cubes les uns sur les autres (voir figure 3.7).

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>FIGURE 3.6 – Cell-Shading
https://raptor.developpez.com/tutorial/rendering/celshading/</figcaption></figure>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>FIGURE 3.7 – Voxel
https://ex-machina.fr/voxel.php</figcaption></figure>

<footnote n="14">14. Le Pixel-Art est une forme moderne d'art graphique, utilisant des carrés pour créer des formes, en références aux premiers écrans de faible résolution</footnote>
### 3.1.3 La perception visuelle

La perception visuelle est l'interprétation par différentes aires cérébrales de l'ensemble des informations captées par les yeux. Le corps humain dispose de ses yeux, organes complexes permettant de capter la lumière reflétée par les objets qui l'entourent, et d'en transmettre les informations au cerveau qui va l'interpréter.

La perception binoculaire est le fait d'avoir deux yeux proches l'un de l'autre, qui nous permet d'avoir 2 angles de vue pour les objets en face nous. Ainsi, l'Homme perçoit mieux les distances en 3 dimensions, grâce aux effets de parallaxe<fnref n="15" />. Les yeux disposent de deux types d'organes récepteurs : les bâtonnets, récepteurs permettant de capter l'information d'intensité de lumière, et les cônes, récepteurs permettant de capter l'information de fréquence lumineuse, la couleur<fnref n="16" />. Les couleurs perçues par les cônes sont le rouge, le vert, et le bleu(voir figure 3.8). Ces couleurs sont dues au résultat de la synthèse additive de la lumière, phénomène physique de la lumière expliquant les différentes couleurs perçues par l'oeil humain (voir figure 3.9). Ces informations scientifiques sont tirées du livre d'apprentissage universitaire Optique géométrique, publié par Mémento et écrit par [Taillet, 2008].

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>FIGURE 3.8 – Cônes et Batonnets
https://blog.ophtalmique.ch/2021/03/04/cones-batonnets/</figcaption></figure>

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>FIGURE 3.9 – Synthèse Additive
https://www.methodephysique.fr/couleurs_synthese_additive_soustractive/#</figcaption></figure>

<footnote n="15">15. La parallaxe définit l'angle de deux axes optiques visant un même objet.</footnote>

<footnote n="16">16. L'article de [Gordon, 2021] "Zoom sur les cônes et bâtonnets", nous explique en détail le rôle des cônes et des bâtonnets.</footnote>
Les écrans de nos appareils électroniques sont constitués de pixels rouges, verts et bleus, afin d'utiliser la synthèse additive, utilisée par nos yeux. Les développeurs des logiciels de conception d'images se basent sur la perception humaine, et également sur le fonctionnement physique de la réalité. Ainsi, de nombreux paramètres graphiques ont été étudiés au fil des années pour produire des images de qualité, agréables et réalistes aux yeux de l'Homme.

Les informations transmises par les yeux sont nombreuses et doivent être traitées immédiatement par le cerveau. Afin de se repérer rapidement dans l'espace et de compenser les informations manquantes (les couleurs en périphéries du centre de vision, ou le mouvement par exemple), le cerveau est capable de "reconstruire" les informations qu'il reçoit en se basant sur les images précédentes qu'il a traitées. La fréquence d'images des productions audiovisuelles en mouvement devient alors un paramètre très important, afin d'aider le cerveau à mieux interpréter les mouvements à l'écran.

En 2012, une étude scientifique réalisée au Japon<sup>17</sup> a prouvé que l'œil humain était sensible à une fluidité d'image maximale approchant les 120 ips. En augmentant le nombre d'images par seconde, on augmente la netteté des mouvements et réduit les saccades, l'œil permet donc au cerveau de mieux interpréter les images.

Dans les environnements 3D, la fréquence d'image est limitée par la complexité de la scène. Par complexité, on entend des textures avec une haute résolution, des maillages 3D avec beaucoup de faces, et un système d'éclairage réaliste. En effet, si une scène est photoréaliste, celle-ci demandera plus de calculs par l'ordinateur, et peut donc être saccadé. Les nouvelles technologies comme Lumen et Nanites, développées par Epic Games sur leur moteur Unreal Engine 5, permettent d'avoir des rendus graphiques en mouvement fluide proches de la réalité. Unreal Engine cherche en effet à obtenir un rendu photoréaliste "en temps réel", soit instantané. La technologie Lumen est un système d'illumination globale et dynamique, permettant d'avoir des réflexions de lumières réalistes et en temps réel. Nanites est lui un système de géométrie virtuelle, permettant de réduire le nombre de polygones d'un modèle en fonction de son placement face à la caméra, permettant d'avoir des modèles 3D très complexes en grand nombre dans une même scène.

Ces technologies permettent une optimisation des calculs de rendus, et ainsi, créer des images fluides, de plus en plus complexes. La perception visuelle de l'observateur est alors pleinement utilisée grâce à des hautes fréquences d'images, des hautes définitions de textures, et des lumières réalistes qui permettent à l'observateur d'être visuellement immergé dans un environnement tangible et réaliste.

<footnote n="17">17. Etude scientifique tirée de "Improvement of Motion Image Quality by High Frame Rate" par [Yoshihiko Kuroki, 2012]</footnote>
## 3.2 Cadre théorique

### 3.2.1 Perception et compréhension visuelle

Dans l'ouvrage scientifique "Vision science : Photons to phenomenology" par [Palmer, 2012], l'auteur explore le lien entre la science de la vision (anatomie et processus physique de la perception) et la manière dont nous interprétons cette vision. Il y intègre des notions issues de la psychologie, de la neurobiologique, de la physique et des sciences cognitives afin d'expliquer comment l'œil et le cerveau humain arrivent à identifier des objets, des couleurs et des matières, tout en les situant dans l'espace.

Le cerveau humain est capable, grâce à une accumulation d'informations visuelles, d'interpréter des ensembles d'informations pour en déduire une finalité. La lumière qui reflète sur une surface, dévoile sa couleur, sa forme et sa matière, ainsi perceptible par l'œil. Les connaissances apprises grâce aux expérimentations, ou à l'apprentissage permettent également d'identifier des objets, des espaces ou des situations similaires. Ainsi, plus les informations sont présentes et détaillées, plus le cerveau pourra en interpréter des déductions, et pourra élaborer une compréhension globale du résultat de sa perception.

Au XXe siècle, des chercheurs établissent une nouvelle théorie autour de la perception visuelle. Les ouvrages scientifiques "Principles of Gestalt Psychology" de [Koffka, 1935] et "Gestalt Psychology" de [Kohler, 1935], amènent la théorie de Gestalt. Cette théorie du Gestalt, ou Psychologie de la forme, est une théorie psychologique et philosophique selon laquelle la représentation mentale traiterait les informations par groupe d'éléments et non comme des éléments uniques et indépendants. D'après cette théorie, le cerveau interprète les formes, les couleurs et l'environnement en les associant les unes aux autres : par exemple une table dotée de livres sur sa surface, n'aura pas le même sens, ni la même fonction qu'une table nappée et dotée de couverts. Ainsi, des éléments complétés par des informations supplémentaires, disposés grâce à de nouveaux éléments, ajouteront un sens à la compréhension qu'en fait son observateur.

Ces différentes lois régissant le Gestalt s'appliquent également dans un environnement 3D ; du désordre, des déchets, des objets du quotidien, associés aux objets, aux meubles et aux paysages permettent au cerveau d'attribuer des fonctions et un contexte aux objets ou à l'environnement dans sa globalité.
Peu après le concept du Gestalt, la théorie de l'affordance est proposée dans "The Ecological Approach to Visual Perception" de [Gibson, 1979]. Cette théorie d'affordance est un concept autour de la perception des possibilités d'interactions dans notre environnement. Le cerveau humain est, selon cette théorie, capable d'interpréter et d'identifier des actions grâce à ses connaissances et ses expériences passées. Très connu dans le milieu du jeu-vidéo, ce concept sert de pilier aux Level et Game Designer <fnref n="18" /> pour transmettre au joueur les actions possibles dans un environnement virtuel.

Néanmoins, cette capacité du cerveau à associer ces informations supplémentaires, et en déduire des fonctions ou des interactions nécessite un effort et une concentration considérable. Ainsi, des paramètres cognitif sont à prendre en compte tels que l'attention, la charge cognitive et la durée de visualisation.

### 3.2.2 Universalité et description

Le graphisme et l'illustration permettent depuis leur création de représenter des objets, des environnements ou encore des personnages, fictifs ou réels. Au fil des siècles, des techniques de simplification se sont démocratisées et sont entrées dans l'esprit commun. Dans la bande-dessinée explicative "Understanding Comics : The Invisible Art" de [McCloud, 1993], l'auteur explique les techniques de bande-dessinée, de la conception à la réalisation. Il énonce notamment l'universalité de l'imagerie Cartoon : concentrer l'attention de l'observateur d'un dessin sur une idée simple (voir figure 3.10). Si un dessin est concentré sur une idée universelle, un grand nombre de personnes peut le décrire similairement.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>FIGURE 3.10 – Understanding Comics : The Invisible Art</figcaption></figure>

<footnote n="18">18. Les Level et Game-Designer sont des métiers du jeu-vidéo. Ils consistent à la réflexion et la conception des mécaniques de jeu et de progression du joueur, cohérente dans l'univers et l'histoire du jeu</footnote>
Cette universalité dans le graphisme est également présente en 3D. On peut notamment citer Nintendo ou Disney Pixar pour leur capacité à simplifier visuellement des environnements, tout en préservant une logique et une représentation symbolique perceptible par le plus grand nombre. Ces rendus 3D, souvent proche du rendu Low Poly, peuvent être comparés au rendu Cartoon des dessins, ayant pour but de simplifier au maximum les traits pour être compris par un grand nombre.

Dans "Some constituents of descriptive psychological reflection" de [Wertz, 1983], l'auteur propose une approche théorique et introspective de la réflexion psychologique descriptive. Il y étudie comment les gens observent et décrivent le monde autour d'eux grâce au langage. Cet ouvrage explore également l'influence des expériences personnelles sur la description du monde qui nous entoure, ainsi que la sélection visuelle relative à ces expériences.

La description est donc un élément important pour la compréhension d'un espace, elle est l'expression directe du ressenti de l'observation, et de son interprétation par le cerveau.

Pouvant varier d'un individu à un autre, la compréhension d'un espace est également un reflet de nos expériences personnelles, de notre personnalité. Les recherches en psychologie et en neurosciences ont montré que nos émotions influencent la manière dont nous percevons et interprétons le monde qui nous entoure. Les émotions peuvent diriger notre attention vers certains aspects de l'environnement plutôt que d'autres.

### 3.2.3 Discrimination d'éléments

La charge cognitive est un concept issu des neurosciences. Elle fait référence à la quantité de ressources mentales nécessaires pour effectuer une tâche donnée. Elle est souvent associée à la mémoire de travail, à l'attention et à la capacité de traitement de l'information. Lorsqu'une tâche exigeante en termes de cognition est effectuée, la charge cognitive augmente, ce qui peut affecter les performances et le niveau de stress mental de l'individu.

Plusieurs théories et modèles ont été proposés pour comprendre la charge cognitive. Parmi eux, la théorie de la charge cognitive de Sweller <fnref n="19" /> est largement reconnue. Dans ses ouvrages, l'auteur a également exploré cette charge cognitive en lien avec la perception visuelle, la charge cognitive visuelle. Cette dernière se décrit par la capacité du cerveau à traiter une quantité d'informations visuelles plus ou moins élevée. Des tâches visuelles complexes, telles que la recherche d'objets dans un environnement encombré ou la résolution de problèmes visuels, peuvent engendrer une charge cognitive visuelle élevée.

<footnote n="19">19. Tiré du livre "Cognitive load theory, learning difficulty, and instructional design. Learning and Instruction" par [Sweller, 1994]</footnote>
La discrimination d'éléments, ou sélection visuelle, est un principe cérébral lié à la charge cognitive visuelle. Des recherches telles que "Meaning-based guidance of attention in scenes as revealed by meaning maps" de [John M. Henderson, 2017], ou encore "Computational modelling of visual attention" de [Laurent Itti, 2001], décrivent ce principe de sélection visuelle.

Les résultats de leurs recherches ont permis de démontrer que si la perception visuelle est saturée d'informations, ou bien contrainte à un temps réduit, le cerveau traite et interprète seulement des informations qu'il a sélectionnées. Ainsi, une scène trop chargée de détails, trop contrastée ou remplie d'éléments distrayants, mènera à une perte d'informations visuelles pour son observateur.

### 3.2.4 L'imagerie mentale

La perception et la compréhension visuelle amènent l'esprit à créer une image mentale d'un environnement visualisé. Le concept d'imagerie mentale a été évoqué pour la première fois dans les années quatre-vingts avec "Image and Mind." de [Kosslyn, 1980], ou "Image et Cognition : La Représentation des Connaissances Visuelles" de [Denis, 1989]. Ces ouvrages ont permis d'établir l'implication cognitive de l'imagerie mentale dans le processus de compréhension et d'interprétation visuelle.

L'image mentale se construit afin de créer une représentation globale des éléments. Enrichie par les éléments additionnels tels qu'une déduction de fonction ou d'interaction, l'imagerie mentale fait appel à la mémoire en regroupant des informations pour en représenter une projection mentale, dans le but de les retranscrire plus simplement ultérieurement. Ce regroupement d'information permet alors au cerveau de mémoriser un grand nombre de ces images mentales, qu'il utilisera pour interpréter ces perceptions visuelles tout au long d'une vie.

Néanmoins, à cause de cette compression d'informations, le cerveau peut parfois faire des erreurs. Cherchant à faire au plus simple, le cerveau peut faire une mauvaise interprétation de sa perception visuelle, trompant ainsi le résultat factuel. Dans l'article "Mental imagery and visual working memory" de [Rebecca Keogh, 2011], l'auteur explique que cette mauvaise interprétation provoque parfois des erreurs de mémorisation. Des éléments absents de la scène perçue peuvent alors être interprétés et mémorisés.
# Experimentation

## 4.1 Méthode de l'expérimentation

### 4.1.1 Définition du projet d'expérimentation

En s'appuyant sur les recherches scientifiques étudiées, nous pouvons concevoir une expérimentation, afin de répondre à notre problématique.

L'expérimentation est réalisée sur un échantillon de personnes participantes. Ces personnes sont amenées à visualiser un environnement 3D, dans des niveaux de réalismes définis. Pour ce faire, nous allons définir des paramètres de niveau de réalisme en amont. Puis, les participants devront transcrire et décrire ce qu'ils ont compris des visionnages de ces environnements relatifs grâce à des zones de textes. Cette description se fera dans un premier temps, après un court temps de visionnage, puis dans un temps de plus longue durée. Cette méthode permettra d'obtenir des informations sur une compréhension visuelle rapide et une compréhension visuelle plus approfondie (voir figure 4.1).

La première moitié des participants observe une scène 3D Low Poly, la seconde moitié observe une scène 3D Réaliste. Les deux scènes représentent le même environnement, dans des niveaux de détails opposés. Cette dualité permettra de comparer les données entre les deux niveaux opposés de réalisme. Les participants n'effectuent qu'une expérimentation par personne, ils découvrent donc la scène afin de ne pas fausser les résultats.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>FIGURE 4.1 – Déroulement de l'expérimentation</figcaption></figure>
Les descriptions textuelles réalisées après les visualisations des scènes, nous permettent de récolter des données dans le but de les étudier. Nous comparons ensuite les différences de compréhension des participants selon le niveau de réalisme des environnements 3D qu'ils auront visionné puis décrit.

### 4.1.2 Cible

Cette expérimentation se base sur la perception visuelle et la compréhension globale de l'environnement. Elle est donc accessible à la plupart de la population voyante. Je souhaiterais la réaliser sur un échantillon de dix individus voyants, de sexe féminin et masculin, de 18 à 60 ans, afin d'avoir une diversité de profil relativement importante.

Ni l'âge, ni le sexe, ni l'identité des participants ne nous intéresse dans cette expérimentation, ainsi, les descriptions sont anonymes en termes de données personnelles.

Ces participants ont été démarchés par mes soins dans mon entourage.

### 4.1.3 Le niveau de réalisme

Le rendu 3D “photoréaliste”, nécessite de prendre en compte plusieurs paramètres pour prendre effet. Plus ces paramètres sont réduits, moins le rendu se rapproche visuellement de la réalité. Afin d’organiser et catégoriser des types de rendus 3D, nous allons établir des paramètres visant à mesurer le niveau de réalisme d’une scène 3D. Ces paramètres nous permettront de concevoir des scènes 3D d’expérimentation avec un niveau de réalisme contrôlé.

Les paramètres d'un rendu 3D photoréalistes que nous avons étudiés sont les suivants :

- Maillage élevé, haute fidélité des formes de la réalité.

- Textures PBR (Physically Based Rendering)

- Haute résolution des textures PBR, haute fidélité des matériaux et couleurs

- Nombre important d'éléments (désordre, plantes, petits objets...)

- Lumières réalistes (lumière d'ambiance, lumières additionnelles, reflets, ...)

Afin de simplifier, ces paramètres sont définis dans ce mémoire sur une mesure quantitative de 5 points, et booléen oui/non pour le paramètre "Textures PBR". Une moyenne des points sera calculée, afin d'obtenir un "score de réalisme". Si un rendu ne possède pas de textures PBR (non), ce score baissera de 1 point, les matériaux étant un paramètres très important d'un rendu 3D photoréaliste.

Voyons avec des exemples si ces paramètres s'appliquent correctement. Ces exemples sont dans un environnement similaire, afin de mieux percevoir les différences.
<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>FIGURE 4.2 – Rendu 3D “photoréaliste”, de Pasquale Scionti</figcaption></figure>

https://www.artstation.com/artwork/Qz3zAL

Maillage : 5/5
Textures PBR : Oui
Résolution PBR : 5/5
Nombre d'éléments : 5/5
Lumières réalistes : 5/5
**Niveau de réalisme : 5/5**

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>FIGURE 4.3 – Rendu 3D pour un projet VR, de Sylvia Rothe, avec le pack d'asset Gesta (Unity)</figcaption></figure>

https://www.researchgate.net/figure/
AVR-living-room-for-identifying-the-feeling-of-own-height-in-a-virtual-environment_fig1_337206065

Maillage : 3/5
Textures PBR : Oui
Résolution PBR : 3/5
Nombre d'éléments : 2/5
Lumières réalistes : 2/5
**Niveau de réalisme : 2.5/5**
<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>FIGURE 4.4 – Rendu 3D Low Poly de promotion d'un pack d'assets pour Unreal Engine, de JustCreate</figcaption></figure>

* Maillage : 2/5
* Textures PBR : Non
* Résolution PBR : X/5
* Nombre d'éléments : 3/5
* Lumières réalistes : 2/5
* **Niveau de réalisme : 2/5**

On considérera dans cette étude les rendus 3D à 4/5 points ou plus comme réalistes. Ceux de 2/5 ou moins comme Low Poly, peu ou pas réalistes. En s'appuyant sur ce "score de réalisme", nous pouvons concevoir deux environnements 3D, opposés en termes de réalisme.
4.1.4 La description textuelle

Après chaque visualisation, les participants doivent décrire pendant un temps donné, leur compréhension des scènes qu’ils ont visualisées. Afin de cadrer les réponses, deux questions inspirées d’études psychologiques traitant de la perception visuelle et de la cognition, déjà réalisées, seront posées aux participants.

Ces questions sont les suivantes :

1- Quels sont les principaux objets ou éléments présents dans la scène ?

Cette question vise à évaluer la capacité de l'observateur à identifier et à catégoriser les éléments visuels saillants dans une scène donnée.

2- Quelles sont les relations entre les différents objets/éléments de la scène ? (extérieur ou intérieur, jour ou nuit, fonction de la pièce ou du lieu, ...)

Cette question évalue la capacité de l'observateur à percevoir et à interpréter les relations spatiales, telles que la proximité, l'alignement ou la superposition, entre les différents éléments de la scène.

Ces deux questions sont utilisées dans des études de domaines diverses. On les retrouve par exemple en psychologie expérimentale, dans l'étude "Initial scene representations facilitate eye movement guidance in visual search. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance" de [Monica Castelhano, 2007], ou encore en neurosciences cognitives dans l'étude "Seeing faces is necessary for face-domain formation" de [Michael J Arcaro, 2017].

Les questions sont affichées en même temps, et peuvent être laissées sans réponse, afin de laisser les participants gérer leur temps et revenir sur une question précédente facilement. Ils sont également informés du déroulé de l'étude, afin de comprendre qu'ils pourront compléter leurs réponses après la deuxième visualisation.

Les réponses à ces questions seront comparées entre elles et à travers les deux groupes, afin de potentiellement créer un lien entre le niveau de réalisme et la compréhension visuelle qu'en ont ces spectateurs. Les réponses à la première question seront des descriptions textuelles des différents objets présents dans la pièce. Grâce aux deux visualisations (courte et longue), des différences de compréhension en fonction de la durée d'observation pourront être traitées. Les réponses à la seconde question seront autour de l'environnement global.
4.2 Matériel d’expérimentation

4.2.1 Conception

Les deux scènes 3D représentent le même environnement, un café de quartier atypique d'aujourd'hui. Des détails permettent d'identifier le café un après-midi ensoleillé, ainsi que notre position au 1er étage, à une table. Le café est vide (ni personnes ni animaux), mais sa décoration atypique permet de complexifier la compréhension de la scène.

Un moodboard<fnref n="1" /> de références (voir figure 4.5) et des croquis (voir figure 4.6) nous permettent de concevoir une ambiance et un univers, afin de modéliser les deux scènes sur les mêmes idées et la même composition visuelle.

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>FIGURE 4.5 – Moodboard de références</figcaption></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>FIGURE 4.6 – Croquis de conception</figcaption></figure>

<footnote n="1">1. Un MoodBoard est un terme utilisé pour décrire une mosaïque d'image, utilisé pour visualiser des références entre elles</footnote>
Les éléments 3D ont étés modélisés sur le logiciel Blender (voir figure 4.7). Avec une méthode de modélisation 3D nommé le BlockOut (modéliser en blocs, puis détailler de plus en plus), nous pouvons concevoir une scène 3D simple, pour la scène Low Poly, puis la complexifier pour la scène Réaliste. Les éléments 3D doivent être organisés, nommés et optimisés afin de les exploiter correctement et simplement lors de la création du programme sur Unity.

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>FIGURE 4.7 – Scène 3D dans Blender</figcaption></figure>

### 4.2.2 Création du programme

Après avoir modélisé les deux environnements avec leurs textures, ceux-ci sont implémentés dans le logiciel Unity afin de créer une scène en temps réel. Grâce à des scripts, il est possible de créer des interactions entre l'utilisateur et un environnement 3D ou une interface (notre description textuelle). Ce programme pourra ensuite être exporté afin d'être envoyé aux participants.

Deux scènes sont créées, Réaliste et Low Poly. Puis y sont placés leurs environnements 3D respectifs. La gestion de la caméra de l'utilisateur est identique dans les deux scènes, un déplacement de regard léger grâce à la souris.
La lumière et les textures sont relativement simples dans la scène au rendu Low Poly. Des aplats de couleurs, des lumières simples et une absence d'effets de caméra suffisent à obtenir le rendu souhaité.

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>FIGURE 4.8 – Scène Low Poly</figcaption></figure>

Appliquons à la scène Low Poly le score de réalisme définit lors de la conception :

- Maillage : 2/5

- Textures PBR : Oui

- Résolution PBR : 2/5

- Nombre d'éléments : 3/5

- Lumières réalistes : 1/5

- Niveau de réalisme : 2/5

En revanche, elles sont complexes dans la scène réaliste : des shaders aux textures multiples, des lumières en temps réel, des effets de caméra (field of view, glare, ...). Ceci afin d'ajouter des paramètres de réalismes et d'améliorer le rendu visuel des objets 3D créés dans Blender.
<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>FIGURE 4.9 – Scène Réaliste</figcaption></figure>

Appliquons à la scène Réaliste le score de réalisme définit lors de la conception :

- Maillage : 5/5

- Textures PBR : Oui

- Résolution PBR : 5/5

- Nombre d'éléments : 3/5

- Lumières réalistes : 4/5

- **Niveau de réalisme** : 4.25/5

Les deux scènes sont conçues de façon opposée au niveau du réalisme.

Le questionnaire est géré par des "Canvas", des interfaces 2D présentes dans Unity. Ils s'affichent en fonction d'un chronomètre ou d'une touche appuyée, définis dans des scripts que j'ai réalisés. Les réponses aux questions sont envoyées lorsque l'utilisateur quitte le programme, dans un GoogleSheet, via un script dans Unity.

Les participants, après avoir visualisé l'environnement et répondu aux questions à deux reprises, ont la possibilité de re-visualiser leur environnement, et de visualiser l'environnement de l'autre groupe. Ainsi, les participants peuvent comparer les deux environnements dans des niveaux de réalisme opposés.

Après avoir réalisé le projet Unity pour le groupe Low Poly, j'ai dupliqué le projet en échangeant simplement l'environnement visualisé en premier (pour les descriptions) par l'environnement Low Poly, déjà présent car visionnable à la fin du processus.
# Résultats et analyses

## 5.1 Résultats bruts

### 5.1.1 Résultats textuels des deux groupes

<table><caption>FIGURE 5.1 – Résultats textuels du groupe Low Poly (orange) et Réaliste (bleu)</caption><thead><tr><th colspan="3">Temps court Visionnage et Questionnaire</th><th colspan="2">Temps long Visionnage et Questionnaire temps illimité</th></tr><tr><th>Groupe 1 LowPoly</th><th>Réponse 1</th><th>Réponse 2</th><th>Réponse 1.2</th><th>Réponse 2.2</th></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>escaliers, tables, tasses de café, formes rectangulaires</td><td>salle de café, il fait jour, c'est à l'intérieur</td><td>escaliers, chaises, tables, tasses de café, plantes, bougie, mur de briques, formes rectangulaires</td><td>salle de café de jour, en intérieur, trop lumineux</td></tr><tr><td>2</td><td>menu, tables, chaises, tasse, assiette, plantes, tableau</td><td>jour, lumière artificielle, lieu artificiel</td><td>menu, tables, chaises, tasse, assiette, plantes, tableau, escalier, étagère, plateau</td><td>jour, lumière artificielle, lieu artificiel, pas de clients mais ils sont supposés</td></tr><tr><td>3</td><td>tasse, menu, plante, escalier, assiette, statue, table, fenetre</td><td>interieur de restaurant avec des tables sans clients</td><td>tasse, menu, plantes, escalier, assiette, statue, table, fenetre, dessous de table, chaises stylisées</td><td>interieur de restaurant avec des tables, sans clients, en journée</td></tr><tr><td>4</td><td>plante, tasse et sous-tasse, table, bougie, chaise, escaliers, rampe, mur de brique, menu</td><td>interieur, de jour</td><td>plantes, tasse et sous-tasse, tables, porte bougie, bougie, chaise, table, escalier, rampe, mur de briques, menu</td><td>interieur, de jour, nous sommes dans un café ou un salon de thé</td></tr><tr><td>5</td><td>tasse de café, plante, table, escalier, fenetre, chaises</td><td>intérieur, restaurant : salle à l'étage, il fait jour, la salle est vide</td><td>tasse de café, plante, table, escalier, fenetre, chaises, bougie, carte du restaurant, plafond ouvert avec vitres</td><td>intérieur, restaurant : salle à l'étage, il fait jour, la salle est vide</td></tr><tr><th colspan="3">Groupe 2 Réaliste</th><th colspan="2">Groupe 2 Réaliste</th></tr><tr><td>1</td><td>un carnet avec un stylo, une tasse de café, une plante</td><td>intérieur, jour, bureau</td><td>un carnet, une tasse de café avec une cuillère, une plante dans un pot</td><td>intérieur, jour, bureau au style moderne</td></tr><tr><td>2</td><td>tables, chaise, escalier, rambarde, tasse, menu</td><td>intérieur, jour, salle de bar/restaurant</td><td>salle de bar ou de restaurant, tables, chaise, escalier, rambarde, tasse, menu, plantes</td><td>intérieur, jour, salle de bar/restaurant style industriel</td></tr><tr><td>3</td><td>chaise, plante</td><td>intérieur de café, travail, lieu commun</td><td>table, chaise, plante, tasses de café, menu</td><td>intérieur de café, détente, lieu commun et convivial</td></tr><tr><td>4</td><td>Table, fenêtre, stylos, plante</td><td>jour, intérieur de bureau</td><td>Table, grue, fenêtre, stylos, plante, chaise, carte, escalier, tasse, assiette, mezzanine, meuble, tableau</td><td>jour, intérieur de bureau</td></tr><tr><td>5</td><td>tasses de café, plante</td><td>intérieur de jour</td><td>tasses de café blanches, plantes, menu, tables, chaises, escaliers, fenetres, grande hauteur sous plafond</td><td>intérieur de café ou restaurant de jour, moderne et détente</td></tr></tbody></table>
### 5.1.2 Graphiques

Afin de mieux visualiser les résultats des premières réponses, des graphiques ont été réalisés. Il a donc fallu lister les éléments récurrents et pertinents dans les réponses, et en compter le nombre d'itérations de ceux-ci, selon le groupe, et le temps de visualisation. Pour rappel, la première visualisation était de 5 secondes, contre 30 secondes pour la deuxième. Les éléments en rouge sont ceux non représentés dans la scène, et évoqués dans des réponses.

<table><caption>FIGURE 5.2 – Liste des éléments cités dans la première réponse</caption><thead><tr><th rowspan="2">Elements</th><th colspan="2">Groupe 1 LowPoly</th><th colspan="2">Groupe 2 Réaliste</th></tr><tr><th>1ere Visualisation</th><th>2nde Visualisation</th><th>1ere Visualisation</th><th>2nde Visualisation</th></tr></thead><tbody><tr><td>tasse</td><td>5</td><td>5</td><td>3</td><td>5</td></tr><tr><td>assiette(sous tasse)</td><td>3</td><td>3</td><td>0</td><td>1</td></tr><tr><td>table</td><td>5</td><td>5</td><td>2</td><td>4</td></tr><tr><td>chaise</td><td>3</td><td>5</td><td>2</td><td>4</td></tr><tr><td>plante</td><td>4</td><td>5</td><td>4</td><td>5</td></tr><tr><td>escalier</td><td>4</td><td>4</td><td>1</td><td>3</td></tr><tr><td>fenetre(vitre)</td><td>2</td><td>2</td><td>1</td><td>2</td></tr><tr><td>porte bougie(statue)</td><td>1</td><td>2</td><td>0</td><td>0</td></tr><tr><td>bougie</td><td>1</td><td>2</td><td>0</td><td>0</td></tr><tr><td>menu(carte)</td><td>1</td><td>2</td><td>1</td><td>3</td></tr><tr><td>tableau</td><td>1</td><td>1</td><td>0</td><td>1</td></tr><tr><td>carnet</td><td>0</td><td>0</td><td>1</td><td>1</td></tr><tr><td>stylo</td><td>0</td><td>0</td><td>2</td><td>1</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>FIGURE 5.3 – Diagrammes de récurrence des éléments cités</figcaption></figure>
## 5.2 Analyses des résultats

### 5.2.1 Interprétation directe des résultats

Les participants du groupe Low Poly ont tous décrit différents éléments de la scène dans la première réponse, sans erreur, mais aucun n'a décrit l'aspect des éléments. Dès la première visualisation, pourtant courte, certains participants ont correctement décrit une salle de restaurant ou de café en journée pour la seconde réponse.

Après la seconde visualisation plus longue, les participants du groupe Low Poly ont décrit plus d'éléments dans la scène, en complétant leur première réponse. Des éléments comme le menu, le porte-bougie et sa bougie, ou encore le tableau au fond, ont été peu cités. Quelques participants ont décrit l'aspect "cubique" des éléments, sans y décrire plus leur aspect.

Pour les secondes réponses, après la seconde visualisation, la totalité des participants du groupe Low Poly a correctement décrit l'intérieur d'une salle de restaurant, de café ou d'un salon de thé, sans pourtant décrire d'ambiance globale.

Les participants du groupe Réaliste ont décrit quelques éléments de la scène dans la première réponse après le premier visionnage. Des erreurs d'objets, non représentés dans la scène, ont été cités (carnet, stylo).

Les secondes réponses du groupe Réaliste après la première visualisation sont soit erronées, décrivant l'intérieur d'un bureau, soit incomplètes. Seulement une réponse décrit un bar ou un restaurant.

Après la seconde visualisation plus longue, la plupart des participants ont correctement décrit les éléments dans la première réponse. Aucun volontaire de ce groupe n'a décrit la bougie (et son porte-bougie), placée derrière la plante. Seulement une erreur d'objet a été corrigée (un des deux stylos).

Pour la seconde réponse de la seconde visualisation, les participants du groupe Réaliste ont pour la moitié décrit correctement l'intérieur d'un restaurant ou d'un café, et pour l'autre moitié décrit l'intérieur d'une salle commune dans un bureau. Ils ont décrit un style moderne, industriel et une ambiance chaleureuse, de détente.
### 5.2.2 La contrainte de temps

Dans les deux groupes, les réponses après la première visualisation sont incomplètes. On observe néanmoins une meilleure description des objets dans le groupe Low Poly au premier tour (plus d'éléments corrects). La quantité d'informations visuelles dans la scène réaliste est certainement la raison de ces descriptions incomplètes<fnref n="1" />.

La scène réaliste étant plus chargée en éléments et en couleurs que la scène Low Poly, l'attention des participants a été distraite et a ralenti le processus de compréhension, puis de mémorisation des éléments, dû à ce temps si court.

A l'inverse, la scène Low Poly étant relativement simple visuellement (peu de couleur, éléments plus discernables, luminosité élevée), l'attention des participants n'a pas été perturbée. Ils ont alors pu correctement visualiser, comprendre puis mémoriser les différents éléments, malgré un temps de visionnage court.

La contrainte de temps lors du premier questionnaire (1mn pour décrire) explique également les réponses incomplètes, surtout présentes dans le groupe Réaliste. La charge cognitive visuelle élevée des participants du groupe Réaliste a diminué leur capacité à mémoriser un grand nombre d'éléments. En cherchant trop longtemps dans leur mémoire, le temps imparti du questionnaire s'est écoulé.

On peut également noter qu'au deuxième questionnaire (à durée infinie), après la deuxième visualisation plus longue, les participants du groupe Réaliste ont beaucoup plus complétés leur réponses que le groupe Low Poly, qui étaient déjà relativement complètes.

<footnote n="1">1. Comme décrit dans l'étude "Meaning-based guidance of attention in scenes as revealed by meaning maps", par [John M. Henderson, 2017], l'attention d'un spectateur procède à une discrimination visuelle en fonction du nombre d'éléments présent dans son champ de vision, ainsi qu'en fonction de la durée de visionnage</footnote>
### 5.2.3 Les descriptions d'éléments et d'environnement

Les participants du groupe Low Poly ont bien mieux listé les éléments de la pièce grâce à l'aspect plus générique et moins chargé de la scène. Contrairement à la scène réaliste, l'universalité des objets de la scène Low Poly, son absence d'effet et sa luminosité excessive a permis aux participants du groupe Low Poly de décrire plus d'éléments sans se tromper. Leurs descriptions, bien que génériques et sans détails visuels, sont quasiment toutes identiques, reflétant ainsi la compréhension universelle qu'ont eu les participants<fnref n="2" />.

En comparant les réponses des deux visionnages du groupe Réaliste, les réponses au premier visionnage expriment clairement un manque de temps, durant le visionnage et/ou durant le questionnaire. En revanche, les objets non représentés cités questionnent : un stylo et un carnet sont cités dans des réponses, même après le second visionnage. Ces éléments sont corrélés aux réponses incorrectes de la seconde question. En effet, les participants ayant décrit un stylo et un carnet, ont également décrit un bureau dans la seconde réponse. Ces erreurs sont alors explicables par une erreur d'interprétation lors de la création de l'imagerie mentale de la scène. L'ambiance plus fermée, les textures et la lumière réaliste ont peut-être amené les deux participants en question à croire à un bureau plutôt qu'un café. Ainsi, leur cerveau leur a transmis une mauvaise interprétation de certains éléments.

<footnote n="2">2. Le concept d'universalité graphique de [McCloud, 1993]</footnote>
Conclusion et perspectives

Cette expérimentation nous a permis d'établir un lien entre le niveau de réalisme d'une scène 3D et la compréhension qu'en fait son spectateur. Sa durée de visionnage est également un élément important lorsqu'elle est confrontée à un environnement complexe visuellement.

Les analyses de l'expérimentation nous permettent d'affirmer qu'un environnement 3D Low Poly, épuré visuellement et éloigné de la réalité, permettra à ces spectateurs une compréhension universelle et une mémorisation d'éléments rapide. Une scène plus complexe visuellement, proche de la réalité, demandera à ces spectateurs plus de temps à comprendre. De plus, elle pourra être interprétée différemment selon l'individu, amenant peut-être à une mauvaise compréhension. Néanmoins, une scène réaliste, pourra transmettre plus d'émotions grâce à une ambiance globale.

Ce mémoire étant une expérimentation réalisée dans un cadre scolaire, durant une période relativement courte, certains paramètres sont à prendre en compte. Le nombre relativement faible de participants à l'expérimentation, ainsi que la formulation des questions, pourrait être plus étoffés, amenant ainsi à plus de réponses, plus précises, et plus facilement analysables. De plus, la visualisation d'une seule scène peut également fausser les résultats. Plusieurs scènes, dans des environnements différents, pourraient sûrement compléter notre réponse à la problématique.
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