Section 07 Sciences de l'information : traitements, systèmes intégrés matériel-logiciel, robots, commandes, images, contenus, interactions, signaux et langues

IV. Informatique graphique, IHM et réalité virtuelle

A. Les grandes avancées actuelles et les thèmes émergents

Informatique graphique. Les objets 3D, ou plus généralement les mondes virtuels, sont l'enjeu de recherches qui visent à capturer ou créer les formes géométriques, leurs apparences, leurs mouvements, pour offrir des moyens d'interagir avec ces mondes afin de fabriquer une réalité virtuelle. Soutenue par les grands domaines d'application que sont la CAO, la production de contenu pour le divertissement et la simulation, la recherche en informatique graphique et géométrique vise à concevoir de nouvelles structures de données discrètes, géométriques, topologiques, combinatoires ou évolutionnaires permettant de prendre en compte la dimension dynamique des environnements 3D. De fortes préoccupations algorithmiques dans les outils développés (complexité, NP-complétude, décidabilité, prédicats géométriques exacts), montrent l'ancrage informatique de la communauté. De même, la forte coloration mathématique des modèles développés (géométrie, analyse, algèbre, probabilités) positionne les travaux aux interfaces des mathématiques. Ainsi, la communauté d'informatique graphique s'intéresse aux fondements mathématiques de la géométrie différentielle ou algébrique, aux fondements de la topologie combinatoire ou discrète, aux propriétés arithmétiques, aux théories de l'approximation et de l'optimisation. Abordés principalement dans le cadre 3D et 3D+t, ces différents concepts sont étudiés et développés avec l'objectif de la généralisation en grande dimension.

Les avancées de la recherche se déclinent autour de « la 3D pour tous » avec la démocratisation des dispositifs d'affichage 3D et l'apparition d'outils d'impression 3D. Les capacités de capture de données réelles et de simulation suivant une progression exponentielle, le problème du traitement des gigantesques flots de données 3D qui en résultent devient une priorité de recherche. Pour accompagner cette évolution rapide, la communauté doit attaquer un certain nombre de verrous scientifiques et technologiques : capture rapide et automatique d'environnements 3D réels, dans toute leur complexité ; passage à l'échelle pour modéliser, animer et visualiser en temps réel de gros volumes de données 3D, parfois incertaines et en flux ; mise en place de méthodes de création intuitive et d'édition rapide de contenus 3D, permettant le prototypage et l'impression de nouveaux objets réels ; extension des méthodes intuitives d'édition d'images aux images ou vidéos de synthèse en surmontant le clivage traditionnel édition 2D/édition 3D ; intégration des méthodes d'apprentissage statistique en modélisation géométrique, rendu et animation pour utiliser des données réelles comme contrôle de la génération de nouveaux contenus ; couplage modélisation 3D/rendu et analyse/visualisation pour la fouille visuelle et la visualisation collaborative.

Interaction homme-machine et réalité virtuelle. L'omniprésence des ordinateurs sous toutes leurs formes (PCs, tablettes, smartphones, petits objets communicants, etc.) et la popularisation des capteurs nécessitent le développement de nouvelles modalités d'interaction exploitant par exemple les possibilités offertes par l'interaction gestuelle ou vocale ou la prise en compte des émotions, des intentions ou du contexte social. Ces interactions peuvent éventuellement être implicites, en inférant des situations d'interaction à partir de capteurs biophysiques ou répartis dans un système ambiant. Les interfaces cerveau-ordinateur ouvrent également de nouvelles potentialités en donnant accès à des informations jusque-là inaccessibles. La multimodalité, qui exploite les couplages multisensoriels et moteurs de l'utilisateur, et l'hybridation réel-virtuel, qui réalise une intégration fine d'éléments de ces deux mondes, amènent des ruptures dans nos modes d'interaction. Leurs applications touchent l'interaction en situation de mobilité, et l'interaction « en grand » avec le développement de salles immersives et interactives. La généralisation des dispositifs personnels connectés renouvelle les problématiques de l'activité et de l'interaction collaboratives colocalisées ou à distance (réseaux sociaux, partage et édition collaborative, collaboration dans les environnements virtuels, crowdsourcing, etc.).

Face à l'accroissement exponentiel des masses de données, la visualisation de l'information vise à faciliter l'exploration, la comparaison et la compréhension de données abstraites ne présentant pas de structures géométriques naturelles. À la frontière entre visualisation interactive et fouille de données, la visualisation analytique couple ces domaines pour mieux filtrer les données, faire apparaître des relations ou des motifs caractéristiques, et ainsi produire du sens à partir de données hétérogènes.

La difficulté de modéliser le comportement humain dans un contexte complexe rend la validation des systèmes homme-machine particulièrement délicate. Ceci constitue un enjeu majeur du fait de la généralisation de ces systèmes dans des environnements critiques. Des approches comme la validation de modèles de simulation de comportement ou l'étude de modes de répartition ou délégation de fonction visent à conjuguer des systèmes automatisés et des interactions humaines. Le partage ou la coréalisation de tâche sont des questions critiques nécessitant de nouveaux modèles et méthodes pour fiabiliser et évaluer les dispositifs de commande. La conception centrée sur l'utilisateur vise une meilleure adaptation des systèmes aux besoins humains ainsi qu'une plus grande intégration des dimensions esthétiques et affectives de l'interaction. L'étude expérimentale et la définition de mesures appropriées sont nécessaires pour valider l'utilisabilité et l'acceptabilité des systèmes, ainsi que leur plausibilité visuelle dans le cas de la réalité virtuelle.

B. Interactions avec d'autres disciplines

Outre l'informatique, la communauté est en relation avec un grand nombre de disciplines : mathématiques appliquées (optimisation et interpolation, calcul variationnel et équations aux dérivées partielles, probabilités et statistiques, analyse harmonique, algèbre et combinatoire), sciences physiques et sciences de la vie (interaction ondes-matière, mécanique et dynamique du solide et des corps déformables, méthodes bio-inspirées), robotique, et sciences humaines (psychologie perceptive, ergonomie, analyse des émotions, sociologie, design, etc.) afin d'intégrer les usages dans la validation des modèles théoriques et pratiques.

C. Place de la France dans le contexte mondial

La recherche française est de très haut niveau avec une excellente visibilité internationale. Les membres de ces communautés publient régulièrement dans les meilleurs conférences et journaux et sont fortement impliqués dans les comités de pilotage des associations savantes, les comités éditoriaux des grands journaux et les comités d'organisation et de programme des grandes conférences internationales, dont plusieurs ont eu lieu en France ces dernières années. On peut enfin remarquer la présence en France du leader mondial pour la CAO (Dassault Systèmes) et de nombreux studios de jeux vidéo, de production de films et d'effets spéciaux, domaine dans lequel la créativité scientifique et artistique de la France est mondialement reconnue.

D. Points forts/points faibles de la recherche en France

Outre le soutien institutionnel via les GDR (IG-RV, MAGIS), ces thématiques sont soutenues par l'ANR, la DGCIS et les pôles de compétitivité, et participent activement à plusieurs Labex. Les étudiants français de profil math/info constituent un excellent vivier pour ces disciplines. Les points à améliorer concernent d'une part les partenariats industriels qui pourraient être renforcés par une plus grande implication du CNRS dans la valorisation des travaux menés dans les UMR, et d'autre part le soutien institutionnel. De plus, contrairement à l'Amérique et l'Europe du Nord, la France ne dispose pas de centres multidisciplinaires dédiés à ces thématiques. Enfin, les excellents résultats scientifiques en termes d'impact national et international ne doivent pas masquer le manque notoire de chercheurs CNRS dans ces communautés.

E. Retombées sociales, économiques (valorisation), culturelles

Tous ces domaines ont connu une croissance extrêmement rapide ces 30 dernières années et leurs retombées industrielles et sociétales sont considérables. L'informatique interactive a été l'un des moteurs du développement des sciences et technologies de l'information dans tous les domaines de la société en permettant de démocratiser l'usage de l'informatique (ordinateurs, smartphones, tablettes) grâce aux interfaces utilisateurs. Les applications industrielles sont extrêmement variées : CAO, animation 3D, jeux vidéo, simulateurs d'apprentissage, applications pédagogiques, culturelles ou artistiques, supervision et contrôle, interaction mobile, visualisation financière, etc. Les domaines d'application concernés sont tout aussi nombreux : aéronautique, médecine et biologie, énergie, bâtiment, science des matériaux, réseaux sociaux, Web et multimédia. L'informatique étant aujourd'hui omniprésente dans les sociétés modernes, être en capacité de comprendre, d'analyser, de modéliser et d'interagir avec les images, formes spatiales ou données numériques ambiantes à la cadence où elles sont produites, est un véritable enjeu sociétal.