Study of the interaction with a virtual 3D environment displayed on a smartphone

Les environnements virtuels à 3D (EV 3D) sont de plus en plus utilisés dans différentes applications telles que la CAO, les jeux ou la téléopération. L'évolution des performances matérielles des Smartphones a conduit à l'introduction des applications 3D sur les appareils mobiles. En outre, les Smartphones offrent de nouvelles capacités bien au-delà de la communication vocale traditionnelle qui sont consentis par l'intégrité d'une grande variété de capteurs et par la connectivité via Internet. En conséquence, plusieurs intéressantes applications 3D peuvent être conçues en permettant aux capacités de l'appareil d'interagir dans un EV 3D. Sachant que les Smartphones ont de petits et aplatis écrans et que EV 3D est large, dense et contenant un grand nombre de cibles de tailles différentes, les appareils mobiles présentent certaines contraintes d'interaction dans l'EV 3D comme : la densité de l'environnement, la profondeur de cibles et l'occlusion. La tâche de sélection fait face à ces trois problèmes pour sélectionner une cible. De plus, la tâche de sélection peut être décomposée en trois sous-tâches : la Navigation, le Pointage et la Validation. En conséquence, les chercheurs dans un environnement virtuel 3D ont développé de nouvelles techniques et métaphores pour l'interaction en 3D afin d'améliorer l'utilisation des applications 3D sur les appareils mobiles, de maintenir la tâche de sélection et de faire face aux problèmes ou facteurs affectant la performance de sélection. En tenant compte de ces considérations, cette thèse expose un état de l'art des techniques de sélection existantes dans un EV 3D et des techniques de sélection sur Smartphone. Il expose les techniques de sélection dans un EV 3D structurées autour des trois sous-tâches de sélection: navigation, pointage et validation. En outre, il décrit les techniques de désambiguïsation permettant de sélectionner une cible parmi un ensemble d'objets présélectionnés. Ultérieurement, il expose certaines techniques d'interaction décrites dans la littérature et conçues pour être implémenter sur un Smartphone. Ces techniques sont divisées en deux groupes : techniques effectuant des tâches de sélection bidimensionnelle sur un Smartphone et techniques exécutant des tâches de sélection tridimensionnelle sur un Smartphone. Enfin, nous exposons les techniques qui utilisaient le Smartphone comme un périphérique de saisie. Ensuite, nous discuterons la problématique de sélection dans un EV 3D affichée sur un Smartphone. Il expose les trois problèmes identifiés de sélection : la densité de l'environnement, la profondeur des cibles et l'occlusion. Ensuite, il établit l'amélioration offerte par chaque technique existante pour la résolution des problèmes de sélection. Il analyse les atouts proposés par les différentes techniques, la manière dont ils éliminent les problèmes, leurs avantages et leurs inconvénients. En outre, il illustre la classification des techniques de sélection pour un EV 3D en fonction des trois problèmes discutés (densité, profondeur et occlusion) affectant les performances de sélection dans un environnement dense à 3D. Hormis pour les jeux vidéo, l'utilisation d'environnement virtuel 3D sur Smartphone n'est pas encore démocratisée. Ceci est dû au manque de techniques d'interaction proposées pour interagir avec un dense EV 3D composé de nombreux objets proches les uns des autres et affichés sur un petit écran aplati et les problèmes de sélection pour afficher l' EV 3D sur un petit écran plutôt sur un grand écran. En conséquence, cette thèse se concentre sur la proposition et la description du fruit de cette étude : la technique d'interaction DichotoZoom. Elle compare et évalue la technique proposée à la technique de circulation suggérée par la littérature. L'analyse comparative montre l'efficacité de la technique DichotoZoom par rapport à sa contrepartie. Ensuite, DichotoZoom a été évalué selon les différentes modalités d'interaction disponibles sur les Smartphones. Cette évaluation montre la performance de la technique de sélection proposée basée sur les quatre modalités d'interaction suivantes : utilisation de boutons physiques ou sous forme de composants graphiques, utilisation d'interactions gestuelles via l'écran tactile ou le déplacement de l'appareil lui-même. Enfin, cette thèse énumère nos contributions dans le domaine des techniques d'interaction 3D utilisées dans un environnement virtuel 3D dense affiché sur de petits écrans et propose des travaux futurs.3D Virtual Environments (3D VE) are more and more used in different applications such as CAD, games, or teleoperation. Due to the improvement of smartphones hardware performance, 3D applications were also introduced to mobile devices. In addition, smartphones provide new computing capabilities far beyond the traditional voice communication. They are permitted by the variety of built-in sensors and the internet connectivity. In consequence, interesting 3D applications can be designed by enabling the device capabilities to interact in a 3D VE. Due to the fact that smartphones have small and flat screens and that a 3D VE is wide and dense with a large number of targets of various sizes, mobile devices present some constraints in interacting on the 3D VE like: the environment density, the depth of targets and the occlusion. The selection task faces these three problems to select a target. In addition, the selection task can be decomposed into three subtasks: Navigation, Pointing and Validation. In consequence, researchers in 3D virtual environment have developed new techniques and metaphors for 3D interaction to improve 3D application usability on mobile devices, to support the selection task and to face the problems or factors affecting selection performance. In light of these considerations, this thesis exposes a state of the art of the existing selection techniques in 3D VE and the selection techniques on smartphones. It exposes the selection techniques in 3D VE structured around the selection subtasks: navigation, pointing and validation. Moreover, it describes disambiguation techniques providing the selection of a target from a set of pre-selected objects. Afterward, it exposes some interaction techniques described in literature and designed for implementation on Smartphone. These techniques are divided into two groups: techniques performing two-dimensional selection tasks on smartphones, and techniques performing three-dimensional selection tasks on smartphones. Finally, we expose techniques that used the smartphone as an input device. Then, we will discuss the problematic of selecting in 3D VE displayed on a Smartphone. It exposes the three identified selection problems: the environment density, the depth of targets and the occlusion. Afterward, it establishes the enhancement offered by each existing technique in solving the selection problems. It analysis the assets proposed by different techniques, the way they eliminates the problems, their advantages and their inconvenient. Furthermore, it illustrates the classification of the selection techniques for 3D VE according to the three discussed problems (density, depth and occlusion) affecting the selection performance in a dense 3D VE. Except for video games, the use of 3D virtual environment (3D VE) on Smartphone has not yet been popularized. This is due to the lack of interaction techniques to interact with a dense 3D VE composed of many objects close to each other and displayed on a small and flat screen and the selection problems to display the 3D VE on a small screen rather on a large screen. Accordingly, this thesis focuses on defining and describing the fruit of this study: DichotoZoom interaction technique. It compares and evaluates the proposed technique to the Circulation technique, suggested by the literature. The comparative analysis shows the effectiveness of DichotoZoom technique compared to its counterpart. Then, DichotoZoom was evaluated in different modalities of interaction available on Smartphones. It reports on the performance of the proposed selection technique based on the following four interaction modalities: using physical buttons, using graphical buttons, using gestural interactions via touchscreen or moving the device itself. Finally, this thesis lists our contributions to the field of 3D interaction techniques used in a dense 3D virtual environment displayed on small screens and proposes some future works

3DTouch: A wearable 3D input device with an optical sensor and a 9-DOF inertial measurement unit

We present 3DTouch, a novel 3D wearable input device worn on the fingertip for 3D manipulation tasks. 3DTouch is designed to fill the missing gap of a 3D input device that is self-contained, mobile, and universally working across various 3D platforms. This paper presents a low-cost solution to designing and implementing such a device. Our approach relies on relative positioning technique using an optical laser sensor and a 9-DOF inertial measurement unit. 3DTouch is self-contained, and designed to universally work on various 3D platforms. The device employs touch input for the benefits of passive haptic feedback, and movement stability. On the other hand, with touch interaction, 3DTouch is conceptually less fatiguing to use over many hours than 3D spatial input devices. We propose a set of 3D interaction techniques including selection, translation, and rotation using 3DTouch. An evaluation also demonstrates the device's tracking accuracy of 1.10 mm and 2.33 degrees for subtle touch interaction in 3D space. Modular solutions like 3DTouch opens up a whole new design space for interaction techniques to further develop on.Comment: 8 pages, 7 figure

Smart Geographic object: Toward a new understanding of GIS Technology in Ubiquitous Computing

One of the fundamental aspects of ubiquitous computing is the instrumentation of the real world by smart devices. This instrumentation constitutes an opportunity to rethink the interactions between human beings and their environment on the one hand, and between the components of this environment on the other. In this paper we discuss what this understanding of ubiquitous computing can bring to geographic science and particularly to GIS technology. Our main idea is the instrumentation of the geographic environment through the instrumentation of geographic objects composing it. And then investigate how this instrumentation can meet the current limitations of GIS technology, and offers a new stage of rapprochement between the earth and its abstraction. As result, the current research work proposes a new concept we named Smart Geographic Object SGO. The latter is a convergence point between the smart objects and geographic objects, two concepts appertaining respectively to