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N°: 2009 ENAM XXXX Arts et Métiers ParisTech - Centre de Cluny Laboratoire Le2i

N°: 2009 ENAM XXXX Arts et Métiers ParisTech - Centre de Cluny Laboratoire Le2i, équipe Immersion Virtuelle 2013-ENAM-0062 École doctorale n° 432 : Sciences des Métiers de l’Ingénieur présentée et soutenue publiquement par Jérémie LANDRIEU le 18 Décembre 2013 Apports des réalités virtuelles et augmentées dans la planification et le suivi in situ de travaux de rénovation Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par L’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers Spécialité “ Informatique- Traitement du signal ” Directeur de thèse : Frédéric MERIENNE Co-encadrement de la thèse : Christian PERE, Samir GARBAYA T H È S E Jury M. Frédéric MERIENNE, Professeur, Institut Image, Arts et Métiers ParisTech Examinateur M. Christian Père, Enseignant chercheur, Institut Image, Arts et Métiers ParisTech Invité M. Samir GARBAYA, Enseignant chercheur, Institut Image, Arts et Métiers ParisTech Examinateur M. Christophe NICOLLE, Professeur, LE2I, Université de Bourgogne Examinateur M. Patrick CALLET, Enseignant chercheur à l’école centrale de Paris Rapporteur Mme Indira THOUVENIN, Enseignant chercheur à l’UTC de Compiègne Président M. Samir OTMANE, Professeur, IBISC, Université d’Evry Val d’Essone Rapporteur 1 2 LEXIQUE • AIC : Architecture Ingénierie Construction (équivalent anglais : AEC pour « Architecture Engineering Construction ») • ANOVA : ANalysis Of VAriance • BIM : Accronyme anglais pour « Building Information Model » mais aussi « Building Information Modeling » et enfin « Building Information Management » • CAO : Conception Assistée par Ordinateur (équivalent anglais : CAD pour « Computer Aided Design »). Pour l’architecture il existe l’accronyme CAAO pour Conception Architecturale Assistée par Ordinateur (CAAD) • CAVE : Cave Automatic Virtual Environment • CIM : « City Information Model » : Déclinaison du BIM pour les ensembles urbains • ENSAM : Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers • GPS: Global Positioning System • HMD/HUD: Head Mounted Display / Head up Display. • IFC : Industry Foundation Classes : Format standard d’échange de maquette numérique dans l’AIC • LOD : « Level of Detail » pour niveau de détail : Définit la densité d’information fournie à l’opérateur • PLM : Product Lifecycle Management : Gestion du cycle de vie du produit. Par analogie ou trouve parfois BLM pour « Building Lifecycle Management » • QCM: Question à Choix Multiples (en anglais: MCQ) • RA/RV/RM : Réalité Augmentée, Réalité Virtuelle, Réalité mixte. (En anglais : Augmented Reality, Virtual Reality, Mixed Reality) • RFID: Radio Frequency Identification • RGB : Echelle de couleur “Red Green Blue”. Toute couleur peut se decomposer en une composante rouge, une verte et une bleur. • RTLS : Real Time Locating System : Systèmes de localisation temps reel • SIG : Système d’Information Géographique : Processus et outils d’organisation de la connaissance cadastrale • VRPN: Global • XML : eXtensible Markup Language. Langage de code formalisant l’information sous forme de liste de données précédées de balises 3 REMERCIEMENTS Le travail relatif à ce mémoire a été réalisé au sein de l’équipe Immersion Virtuelle (ENSAM-Institut Image) du Laboratoire Electronique, Informatique et Image (Le2i), UMR CNRS 6163 de Chalon Sur Saône. Les travaux ont eu lieu à Cluny. Je tiens en premier lieu à remercier chaleureusement l’équipe d’encadrement de ma thèse, pour m’avoir initié au monde de la recherche, pour avoir assuré le suivi de mes travaux ainsi que pour m’avoir prodigué leurs conseils avisés : Prof Frédéric MERIENNE, et plus spécialement messieurs Christian PERE et Samir GARBAYA qui m’ont accompagné, encouragé et soutenu tout au long de cette aventure. Je salue par ailleurs le suivi régulier assuré par Professeur Christophe NICOLLE. Je remercie Professeur Stephen R. ELLIS, Dr. Khalid KAMALNAJI et Dr. Livio DE LUCA pour le temps qu’ils ont bien voulu consacrer à la lecture de mes rapports intermédiaires. Je remercie les examinateurs et rapporteurs de mon jury de thèse pour l’intérêt qu’ils porteront à la lecture de mon mémoire de thèse. Je tiens à saluer la contribution de certains membres de l’équipe Gunzo. Les uns pour leurs contributions techniques: Messieurs Guillaume SCHOTTE, Osmond DE GANAY, Alexandre MAZUIR; les autres pour nos échanges tous aussi passionnants : Jean François COULAIS, Juliette ROLLIER, Jean Louis COUTAREL ; mes compagnons de « galère » : Stephanie CASTANDET, Yudi NUGRAHA, Baris AYKENT, Ali MIRZAEI. Je ne serais pas complet sans évoquer l’apport bénéfique de Xavier HERISSE, Andrei RIST et Ghislain NICOLAS au projet. Je remercie l’ensemble des membres du projet Gunzo pour l’esprit de travail et de camaraderie qui y régnait. Je sais gré à mon épouse qui m’a accompagné dans ce projet, qui m’a épaulé dans les moments de doute, et encouragé durant ces années de doctorat. Elle a toujours cheminé à mes côtés, en me bousculant parfois. C’est en bonne partie grâce à elle si j’arrive au bout de cette entreprise. 4 Je remercie mes parents pour avoir contribué à qui je suis. 5 6 TABLE DES MATIERES REMERCIEMENTS .............................................................................................................................................3 INTRODUCTION GENERALE ..........................................................................................................................8 1 CONTEXTE DE LA THESE .........................................................................................................................8 2 PROBLEMATIQUE DE LA THESE ...........................................................................................................9 3 ORGANISATION DU DOCUMENT .......................................................................................................... 10 CHAPITRE 1 ....................................................................................................................................................... 11 ETAT DES LIEUX D’UNE METHODOLOGIE LIMITEE ........................................................................... 11 1 INTRODUCTION ......................................................................................................................................... 11 2 CONSTAT DES LIMITATIONS DU PROCESSUS PAPIER ................................................................. 11 3 CONTEXTE .................................................................................................................................................. 13 3.1 Rénovation du bâti ancien ..................................................................................................................... 13 3.2 Modélisation des données du bâtiment (BIM) ..................................................................................... 14 3.3 La réalité augmentée dans la construction........................................................................................... 15 CHAPITRE 2 ....................................................................................................................................................... 17 ETAT DE L’ART ................................................................................................................................................. 17 1 LE BIM, UN SYSTEME DE GESTION DES DONNEES DU BATIMENT ........................................... 17 1.1 Enjeux .................................................................................................................................................. 17 1.2 Définition ............................................................................................................................................. 18 1.3 Discussion ............................................................................................................................................ 31 1.4 Conclusion et perpectives ...................................................................................................................... 36 2 LA REALITE MIXTE : COMMENT LE NUMERIQUE ENRICHIT LA CONNAISSANCE DE L’ ENVIRONNEMENT ....................................................................................................................................... 40 2.1 Introduction ........................................................................................................................................ 40 2.2 La réalité augmentée .......................................................................................................................... 41 2.3 La réalité virtuelle, un outil pour la représentation des données numériques .............................. 55 3 UNE INTERFACE HOMME MACHINE TOUTE EN MOBILITE ................................................. 60 3.1 Introduction - Usages ......................................................................................................................... 60 3.2 Systèmes existants ............................................................................................................................... 61 3.3 Principe de fonctionnement ............................................................................................................... 62 4 CONCLUSION ....................................................................................................................................... 66 CHAPITRE 3 ....................................................................................................................................................... 67 PROBLEMATIQUE : INTERACTION IN SITU AVEC LES DONNEES CONSTRUCTIVES ................ 67 1 VERROUS SCIENTIFIQUES ..................................................................................................................... 67 1.1 Disponibilité de la donnée constructive ................................................................................................ 68 1.2 Accessibilité depuis le chantier via un périphérique léger .................................................................. 69 1.3 Visualisation de résultats de simulations ............................................................................................. 69 2 METHODES D’INTERACTIONS PROPOSEES ..................................................................................... 69 3 QUESTION DE RECHERCHE .................................................................................................................. 70 3.1 Problématique scientifique : Gestion et interaction avec la donnée constructive ............................. 70 3.2 Question de recherche : Les défis de la manipulation sur site du système d’informations ............. 72 CHAPITRE 4 ....................................................................................................................................................... 73 7 APPROCHE PROPOSEE ................................................................................................................................... 73 1 INTRODUCTION ......................................................................................................................................... 73 2 METHODE PROPOSEE ............................................................................................................................. 74 2.1Comparaison de trois ateliers ................................................................................................................ 74 2.2 Description de l’interface utilisateur .................................................................................................... 76 3 FLUX DE TRAVAIL GENERIQUE ........................................................................................................... 79 4 CHOIX TECHNOLOGIQUES - IMPLEMENTATION .......................................................................... 80 CHAPITRE 5 ....................................................................................................................................................... 86 EXPERIMENTATIONS ..................................................................................................................................... 86 1 EXPERIMENTATION 1 : VISUALISATION ET INTERACTION SUR SITE AVEC DES DONNEES CONSTRUCTIVES ............................................................................................................................................. 86 1.1 Tâches soumises aux candidats et objectif poursuivi .............................................................................. 86 1.2 Variables mesurées .................................................................................................................................... 86 1.3 Population prenant part aux tests............................................................................................................. 88 1.4 Protocole expérimental – Déroulement d’une séance ............................................................................. 88 1.5 Rappel des hypothèses de travail .............................................................................................................. 90 1.6 Résultats ...................................................................................................................................................... 91 1.7 Dépouillement des données et analyse statistique de la variance (ANOVA) ......................................... 94 1.8 Discussion .................................................................................................................................................. 101 2 EXPERIMENTATION 2 : VISUALISATION DE RESULTATS DE SIMULATION THERMIQUE EN CONTEXTE DE REALITE VIRTUELLE ..................................................................................................... 103 2.1 Objectif de l’expérimentation ................................................................................................................. 103 2.2 Eléments d’implémentation ..................................................................................................................... 103 2.3 Variables mesurées .................................................................................................................................. 107 2.4 Populations prenant part aux tests ......................................................................................................... 108 2.5 Protocole expérimental – Déroulement d’une séance ........................................................................... 109 2.6 Rappel des hypothèses de travail ............................................................................................................ 112 2.7 Dépouillement des résultats ..................................................................................................................... 114 2.8 Discussion .................................................................................................................................................. 118 2.9 Conclusion ................................................................................................................................................ 119 CHAPITRE 6 ..................................................................................................................................................... 120 CONCLUSION ET PERSPECTIVES ............................................................................................................. 120 1 CONCLUSION GENERALE .................................................................................................................... 120 2 PERSPECTIVES, INVESTIGATIONS A VENIR .................................................................................. 120 2.1 Améliorations mises en évidence lors de la première expérimentation ........................................... 120 2.2 Améliorations mises en évidence lors de la seconde expérimentation ............................................. 123 2.3 Vers une représentation hybride du projet architectural ? .............................................................. 123 BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................................................. 131 PUBLICATIONS ............................................................................................................................................... 163 8 INTRODUCTION GENERALE 1 CONTEXTE DE LA THESE De nos jours l’innovation dans l’AIC (Architecture Ingénierie Construction) a révolutionné la conception du projet architectural. L’utilisation de modèles 3D intelligents est en passe de devenir une pratique courante en phase de conception. Ceux-ci, agrégés ensemble, forment la maquette numérique. L’approche technique va bien au-delà de la CAO (conception assistée par ordinateur) conventionnelle si bien que le secteur de la construction a appelé ce modèle le BIM (Building Information Modeling). Le BIM témoigne de cette approche innovante en ce sens qu’il décrit l’ouvrage tout au long de son cycle de vie, depuis sa conception jusqu’à sa gestion patrimoniale en passant par la phase de construction, en garantissant le travail collaboratif entre les acteurs du projet. De plus, le perfectionnement toujours plus rapide de l’informatique permet d’envisager l’accès et la manipulation de cette maquette numérique sur le site même des travaux : Des périphériques mobiles tels que Smartphones ou tablette tactile uploads/Ingenierie_Lourd/ landrieuu.pdf