Résumé:

Le but de ces travaux est d'identifier les principales difficultés rencontrées lors de la conception et du déploiement d'environnements virtuels collaboratifs (EVC), ainsi que de proposer des modèles permettant de résoudre ces problèmes.
Nous avons identifié six problématiques essentielles qui doivent être abordées afin de proposer des solutions adéquates permettant de construire des EVC : pour chacune d'entre elles, nous présentons un état de l'art des solutions existantes et nous montrons comment nous avons contribué à améliorer ces solutions ou à en proposer de nouvelles.

1 - Choix d'un modèle de distribution pour l'EVC

Un modèle de distribution permet de décrire comment répartir aussi efficacement que possible le contenu d'un EVC entre tous les neuds impliqués dans une session collaborative partageant cet environnement, y compris les machines des utilisateurs distants. Nous proposons une approche qui va permettre aux concepteurs d'EVC de faire coexister au sein d'un même EVC les trois modes de distribution les plus couramment utilisés : centralisé sur un serveur, totalement répliqué sur chaque noeud, ou hybride. Notre approche est dynamique (il est possible de changer de mode à l'exécution) et le choix du mode s'applique au niveau de chaque objet d'un EVC et n'est donc pas obligatoirement le même pour tous les objets de l'EVC.

2 - Choix d'un modèle de synchronisation de l'EVC

Pour maintenir la meilleure cohérence possible entre les noeuds impliqués lors d'une session collaborative exploitant un EVC, il faut choisir entre une synchronisation forte, ou relâchée, ou encore pour une solution intermédiaire, selon les contraintes de l'EVC. Nous proposons une gestion dynamique de la synchronisation permettant de faire face à des défaillances temporaires de réseau, en créant plusieurs groupes de synchronisation, en proposant des métaphores de visualisation des problèmes réseaux, et en permettant à des objets virtuels de migrer d'un site vers un autre.

3 - Adaptation de l'environnement virtuel à des dispositifs matériels variés

Les applications de Réalité Virtuelle doivent pouvoir être adaptées pour prendre en compte des dispositifs matériels et logiciels qui peuvent varier d'un déploiement à un autre. Nous proposons pour cela un modèle d'architecture logicielle, le modèle PAC-C3D, qui garantit une bonne séparation entre les parties applicatives décrivant le comportement des objets de l'univers virtuel, et les parties chargées de leur restitution (par exemple leur visualisation) à l'utilisateur.
Ce modèle est également capable de gérer les trois principaux types de distribution rencontrés dans les EVC.

4 - Conception de l'interaction et de la collaboration dans les environnements virtuels

Exprimer les capacités d'interaction et de collaboration offertes par les contenus des EVC va au delà de leur simple description géométrique: il faut leur ajouter des attributs permettant de décrire ces caractéristiques d'interaction. Nous proposons également de faire la distinction entre outils d'interaction et objets interactifs et de permettre à ces objets de communiquer via un protocole de dialogue adéquat afin que les outils d'interaction puissent exploiter au mieux les caractéristiques des objets interactifs, que nous avons proposé de décrire au travers d'attributs ajoutés à des objets décrit à l'aide du langage Collada.

5 - Choix de métaphores adaptées aux interactions collaboratives

La plupart du temps des métaphores d'interaction conçues pour des interactions mono-utilisateur ne permettent pas de réaliser des interactions collaboratives de manière efficace. Nous proposons d'adapter certaines de ces métaphores pour les interactions collaboratives, et nous proposons également de nouvelles métaphores collaboratives permettant de réaliser des co-manipulations d'objets partagés.

6 - Intégration des caractéristiques des environnements réels des utilisateurs à l'intérieur des EVC

La prise en compte des caractéristiques physiques des environnements des utilisateurs permet d'adapter les EVC aux dispositifs physiques d'interaction et de visualisation des utilisateurs, et de leur faire prendre conscience de leurs limitations physiques ainsi que celles des autres utilisateurs, ce qui ne peut qu'améliorer l'interaction et la collaboration.
Nous proposons pour cela le concept de Cabine Virtuelle d'Interaction Immersive, qui permet d'intégrer dans les EVC des représentations 3D de ces contraintes et limites physiques.

Abstract:

This work aims at providing some cues in order to address the essential requirements about the design of 3D Collaborative Virtual Environments (CVE). We have identified six essential topics that must be addressed when designing a CVE. For each of them, we present a state of the art about the solutions that can address this topic, then we show our own contributions: how we improve existing solutions and what are our new propositions.

1 - Choosing a model for the distribution of a CVE

We need a distribution model to distribute as efficiently as possible the content of a CVE among all the nodes involved in its execution, including the machines of the distant users. Our proposition is to allow CVE designers to mix in a same CVE the three main distribution models usually encountered: centralized on a server, totally replicated on each site, or distributed according to a hybrid distribution model.

2 - Choosing a model for the synchronization of these nodes

To maintain consistency between all the nodes involved in the execution of a CVE, we must choose between a strong synchronization or a relaxed one, or an in-between solution. Our proposition is to manage some temporary relaxation of the synchronization due to network breakdowns, with several synchronization groups of users, making them aware of these network breakdowns, and to allow some shared objects to migrate from one site to another.

3 - Adapting the Virtual Environment to various hardware systems

VR applications must be adapted to the software and to the hardware input and output devices that are available at run-time, in order to be able to deploy a CVE onto different kinds of hardware and software. Our solution is the PAC-C3D software architectural model which is able to deal with the three main distribution modes encountered in CVE.

4 - Designing interaction and collaboration in the VE

Expressing the interactive and collaborative capabilities of the content of a CVE goes one step beyond geometric modeling, by adding interactive and collaborative features to virtual objects.
We propose a unified model of dialog between interactive objects and interaction tools, with an extension to Collada in order to describe interactive and collaborative properties of these interactive objects and interaction tools.

5 - Choosing the best metaphors for collaborative interactions

Most of the time single-user interaction tools and metaphors are not adapted to offer efficient collaboration between users of a CVE. We adapt some of these tools and metaphors to collaborative interactions, and we propose new really collaborative metaphors to enhance real multi-user collaborative interactions, with dedicated collaborative feedback.

6 - Embedding the users' physical workspaces within the CVE

Taking into account users' physical workspaces makes it possible to adapt a CVE to the hardware input and output devices of the users, and to make them aware of their physical limitations and of those of the other users, for better interaction and collaboration. We propose the Immersive Interactive Virtual Cabin (IIVC) concept to embed such 3D representations in CVE.