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[Windows Phone 7.5] Tutoriel simple sur la réalité augmentée, partie 1: les concepts, et les maths

  • [アーティクル]

Avec la version 7.1 du SDK Windows Phone (Mango), l’intégration de la réalité augmentée dans les applications mobiles va devenir beaucoup plus facile : de nouveaux composants font leur apparition et sont conçus pour rendre très simple le développement de ce type d’interface. Mais d’abord, intéressons-nous à ce qu’est la réalité augmentée, et aux concepts qu’il faut maitriser avant de s’attaquer au code.

Le principe de base de la réalité augmentée est d’afficher en surimpression d’une image « réelle » (issue d’une caméra par exemple) des informations purement digitales. Les deux usages les plus courant de la réalité augmentée sont :

  • l’utilisation du téléphone en mode « viewfinder », par exemple pour repérer les directions de points d’intérêt autour de l’utilisateur qui pointe le téléphone dans une certaine direction.
  • L’utilisation du téléphone pour capter un « tag » ou un point visuel reconnaissable, sur lequel on affiche des informations en rapport avec ce point : c’est le cas de nombreux jeux par exemple qui se servent de ce principe pour intégrer le gameplay dans un environnement réel.

Dans cet série d’articles, nous allons nous intéresser au premier cas d’utilisation, à savoir le téléphone en mode « viewfinder ».

Les concepts de 3D et de mathématiques à comprendre

La première chose à comprendre, c’est qu’il nous faut appliquer un certain traitement aux points d’intérêts : en effet nous voulons représenter dans un espace 2D (l’écran du téléphone) un certain nombre d’informations liées à des coordonnées 3D (le monde réel : latitude, longitude, distance, etc). Il faut donc projeter ces points sur l’écran. Et finalement, projeter dans un espace en 2D des points d’un monde en 3D, on le fait depuis longtemps dans le monde des jeux vidéos. On va donc reprendre le vocabulaire de ce monde :

  • L’œil de l’utilisateur correspond à une caméra : c’est un point, qui dispose de coordonnées dans un monde en 3D.
  • Le viewport, c’est l’écran du téléphone : la surface sur laquelle on va dessiner les éléments, s’ils sont dans une certaine zone.
  • Cette certaine zone s’appelle le frustum, et il a la forme d’une pyramide tronquée au sommet  (le sommet étant l’œil). C’est la zone qui est comprise entre l’écran, et une limite au loin qu’on appelle le far plane (l’écran devenant le near plane).

 

Lorsqu’un objet sera contenu dans le frustum alors il sera projeté sur le viewport dans la direction de l’œil de l’utilisateur.

Pour simplifier un schéma pas forcément trivial, on considérera que l’œil de l’utilisateur est à une distance fixe du viewport, dans l’axe de la normale à son centre (le vecteur qui part du centre du rectangle, perpendiculairement au plan du rectangle). Il n’existe de toute façon pas de moyen simple de savoir où se trouve l’œil de l’utilisateur par rapport à l’écran… A moins de faire du face tracking avec la caméra frontale, ce qui n’est pas l’objectif de cet article.

Tout cela peut se résumer à ce schéma :

Frustum

Cette projection doit bien entendu également tenir compte de la position du téléphone : en effet, dans une localisation d’un objet en 3D (donc potentiellement, plus haut ou plus bas que l’utilisateur) il faut tenir compte de la position du téléphone (qu’il faut de toute façon connaitre pour savoir dans quel sens l’utilisateur regarde !!).

Pour symboliser la position de la caméra, du téléphone, des points d’intérêt, et les transformations qu’il faut y appliquer pour les projeter sur l’écran, un seul outil… les matrices.

Pas besoin de se replonger dans un cours d’algèbre linéaire pour faire de la réalité augmentée cependant ! il faut juste accepter le fait qu’une position peut être codée par un vecteur 3D (donc composé des 3 coordonnées x, y et z) auquel on adjoint en général une 4ème composante nécessaire pour les calculs qu’on appellera w. Par ailleurs il est possible de coder dans une matrice 4x4 à la fois des rotations, des translations, des mises à l’échelle (scaling), et des projections. Encore une fois pas besoin de comprendre pourquoi et comment ça marche (même si c’est très intéressant… si vous voulez en savoir plus, rendez-vous dans les ressources au bout de ce document, nombre d’articles intéressant y figurent pour avoir plus de contexte).

Si on résume tout ça : je prends des points en 3D symbolisés par des vecteurs, que je multiplie par des matrices symbolisant des transformations, pour avoir de nouveaux vecteurs, dans un repère 2D : l’écran du téléphone. Nous verrons dans la suite que les API de Windows Phone 7 notamment dans XNA permettent de faire ça très simplement.

Le prochain article de cette série sera consacrée aux APIs de Windows Phone dont on va se servir, à savoir la Caméra, la classe Motion (aussi appelée Spatial Framework) et le GPS

Voici les liens vers les articles suivants: