Vibrations of large multi-actuator panels for the creation of audio-visual virtual environments: acoustical, mechanical and perceptual approaches.
Vibrations de plaques multi-excitateurs de grandes dimensions pour la création d'environnements virtuels audio-visuels: approches acoustique, mécanique et perceptive.
Résumé
Virtual reality provides a transparent window open into a virtual world in which users are immersed. Initially being primarily visual, these virtual worlds now also include sound, thanks to recently developed spatialized sound rendering technologies. A new system proposed and studied here is comprised of large sandwich panels, used as screens, on the back of which electro-dynamic exciters are attached, thus allowing for the creation of an acoustic field surrounding the users. The 3D visual rendering is generated using tracked passive stereoscopy and the spatial sound rendering is achieved by means of holophony, also known as wave-field synthesis. Using a sandwich panel for holophony supposes that its vibroacoustic behavior is well known. The estimation of non-linearities in vibrating systems is addressed on the basis of an empirical method proposed by A. Farina in 2000. The theoretical basis of the method is justified and extended to allow also for the separation of the contributions of different non-linear components in the measurement chain. A method for the estimation of elastic and damping factors, those that are relevant to the propagation of flexural and shear waves in the sandwich panel, has also been developed. Thanks to these two tools, the system under study has been experimentally characterized. Spatial perception of the virtual world synthesized by the system, using solely audio, visual, or both modalities is then studied. It is shown that participants successfully merge the presented audio and visual streams into a single fused object. Specifically, the audio and visual rendering are perceived as spatially coherent. The characteristics of spatial perception of the virtual world are analyzed with respect to the rendering modalities and results are compared with previous studies. The concept of anchorage of the virtual world to the real world is furthermore proposed: the physical distance between the user and the system affects the perceived degree of distance compression for both modalities. Finally, two virtual reality applications illustrate some of the numerous possibilities offered by this new "computer/human interface".
La réalité virtuelle ouvre une fenêtre, voulue transparente, sur un monde virtuel dans lequel sont plongés des participants. Conçus d'abord comme uniquement visuels, les mondes virtuels sont maintenant aussi sonores, grâce aux technologies récentes de rendu sonore spatialisé. Le système innovant proposé et étudié ici se compose de larges panneaux de structure sandwich, servant d'écrans, au revers desquels sont collés des excitateurs électrodynamiques qui les mettent en vibration, créant ainsi un champ acoustique autour des auditeurs. Le rendu visuel 3D est généré par stéréoscopie passive adaptative et le rendu sonore spatialisé par holophonie. L'utilisation d'un panneau comme source sonore étendue pour l'holophonie suppose la compréhension de son comportement vibro-acoustique. L'estimation des non-linéarités dans les systèmes vibrants est abordée à partir d'une méthode proposée par A. Farina en 2000 : cette méthode est justifiée sur le plan théorique et son applicabilité est étendue (séparation des sources de non-linéarité). Une méthode d'estimation des modules d'élasticité et des facteurs d'amortissement pertinents pour la propagation dans le panneau sandwich des ondes de flexion et de cisaillement est aussi développée. Le système est caractérisé expérimentalement grâce à ces deux outils. La perception spatiale, par les modalités audio, visuelle et audio-visuelle, du monde virtuel synthétisé par le dispositif est ensuite abordée. Il est montré que les participants fusionnent avec succès les flux auditif et visuel qui leur sont présentés et perçoivent les rendus auditif et visuel de façon spatialement cohérente. Les caractéristiques de leur perception spatiale de l'espace virtuel sont analysées en fonction des modalités mises en jeu et comparées avec les données de la littérature. Le concept d'ancrage du monde virtuel au dispositif réel qui le crée est en outre proposé : la distance entre le sujet et le panneau semble en effet jouer un rôle pivot dans la loi de compression des distances perçues. Enfin, deux applications de réalité virtuelle basées sur ce système illustrent les nombreuses possibilités offertes par cette nouvelle interface "homme-machine".
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