Agrégation externe SII - 2020 - Option SII et ingénierie mécanique - Épreuve de modélisation

Agrégation concours externe

Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur
Épreuve d'admissibilité
Option sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie mécanique

Support : Modélisation d’un cube immersif 3D

En plaçant l'utilisateur directement au coeur d'une simulation interactive, la réalité virtuelle est une technologie en plein essor qui permet de faciliter et d’accélérer toutes les phases de développement d’un produit.

Parmi les techniques de réalité virtuelle existantes, le cube immersif 3D communément appelé CAVE (Cave Automatic Virtual Environment) permet à plusieurs utilisateurs d’être totalement immergés dans un environnement virtuel tout en continuant à voir l’environnement réel. Ces CAVEs sont aujourd’hui utilisés dans l’industrie pour valider un design, mener une revue de projet de conception, analyser l’ergonomie d’un futur produit ou bien visualiser le résultat d’une simulation sans avoir à réaliser un prototype physique.

Le principe consiste à projeter l’environnement virtuel réaliste en haute résolution sur les cinq faces d’un cube. Équipé de lunettes et de capteurs, l’utilisateur peut se déplacer et interagir avec les objets virtuels à l’intérieur du cube. Ses mouvements et son champ de vision sont alors recalculés en temps réel.

Le cube immersif 3D étudié (Figure 1) est constitué de 5 écrans (mur droit, mur gauche, mur du fond, sol et plafond) sur lesquels sont projetés l’environnement virtuel. La projection sur chaque écran est réalisée à l’aide d’un équipement spécifique appelé système de projection. Un ordinateur maître gère l’ensemble des affichages et des applications pour les projections et l’interaction avec l’utilisateur. Le cube est positionné sur une plateforme surélevée, appelée structure, afin de permettre la projection sur l’écran du sol. Le système de projection sur l’écran du sol (non représenté sur la Figure 1) est placé sous la plateforme, sa configuration est similaire à celle du système de projection sur l’écran du plafond.

La figure 2 montre les principaux blocs du diagramme de définition du CAVE étudié.

Le système de projection de chaque écran est constitué (Figure 3) d’un vidéoprojecteur, d’un miroir monté sur un châssis et d’un ordinateur esclave de l’ordinateur maitre.

Afin de permettre à l’utilisateur d’être totalement immergé au sein de l’environnement virtuel, il est impératif de maîtriser les défauts d’alignements relatifs entre les différents écrans. Le moindre désalignement entre deux écrans consécutifs altère la perception de l’utilisateur en créant une image déformée et non synchronisée.

Ces défauts d’alignements relatifs sont corrigés en effectuant actuellement un réglage manuel de l’orientation des miroirs par rapport aux écrans. Ce réglage est une opération qui doit être réalisée au niveau de chaque miroir lors de l’installation du système et au moins une fois par an afin de recaler les projections. Cette opération nécessite l’intervention de plusieurs personnes et peut s’avérer particulièrement longue et fastidieuse (difficultés d’accès aux miroirs sol et plafonds, réglages peu précis).

En pratique, un déréglage des mécanismes d’orientation des miroirs survient durant l’utilisation, un repositionnement doit alors être effectué plusieurs fois par an. Ce déréglage est constaté plus ponctuellement lorsque des personnes marchent sur la plateforme pendant une projection.

Il est alors envisagé d’optimiser les châssis porteurs des miroirs et de motoriser leur orientation.

Problématique et architecture du sujet

L’objectif de cette étude est de mettre en place et en application les outils de modélisation permettant de caractériser ces défauts géométriques d’orientation des miroirs et de choisir les solutions technologiques de réglage associées.

Le sujet est composé de cinq parties indépendantes.

Dans la première partie, on s’attachera à analyser l’influence d’un défaut géométrique intrinsèque du système de projection sur les défauts d’alignements relatifs entre deux écrans.

La seconde partie concernera le système de projection sur le plafond. Elle sera focalisée sur la mise en place d’une solution de réglage permettant de compenser les défauts d’alignements relatifs entre les écrans.

Les parties 3 à 5 concerneront le système de projection sur un mur. Il s’agira de modéliser les désalignements dus au déplacement d’une personne sur la plateforme qui est la première cause constatée de désalignement en cours d’utilisation.

La troisième partie vise à mettre en place une démarche d’optimisation du châssis porteur.

L’influence de cette contrainte sera analysée dans la quatrième partie au niveau de la liaison entre le châssis porteur et le miroir.

Enfin, la cinquième partie traitera de l’analyse de l’influence du déplacement d’une personne sur les défauts constatés au sein du CAVE.

En conclusion, il est proposé d’effectuer une synthèse de la démarche mise en oeuvre au cours de l’étude proposée.

Les solutions technologiques retenues pour la réalisation du CAVE seront alors analysées en dernière partie afin de vérifier que le cahier des charges (défini dans le Tableau 1) est correctement respecté.