La partie physique de l'interface est celle avec laquelle l'utilisateur a le contact le plus direct, et les dispositifs d'entrée contribuent grandement à l'image mentale que celui-ci se fait d'un l'ordinateur [Buxton, 1986b].
Depuis plusieurs années, la configuration des ordinateurs de bureau n'a guère évolué, et le clavier et la souris sont depuis longtemps devenus des dispositifs standard. Bien que cette standardisation puisse sembler souhaitable, il existe un grand nombre de situations où il est préférable, voire nécessaire, d'avoir recours à des dispositifs non standard. De nombreux travaux ont notamment montré qu'il était essentiel que les dispositifs d'entrée soient adaptés aux tâches à accomplir, ainsi qu'aux utilisateurs et à l'environnement de travail.
Cette section a pour but de donner au lecteur un aperçu de la grande variété des dispositifs d'entrée non standard, produits commerciaux ou prototypes de recherche, ainsi que les contextes dans lesquels leur emploi est pertinent. Cette présentation sera organisée autour des trois thèmes précédemment cités : tâches, utilisateurs et environnement. Pour compléter, nous évoquerons les évolutions et tendances actuelles concernant les équipements personnels.
Le clavier et la souris sont des dispositifs d'entrée génériques qui permettent de communiquer avec une grande variété d'applications. Il existe néanmoins un grand nombre de tâches pour lesquelles ces dispositifs ne sont pas adaptés. Nous évoquerons deux domaines applicatifs où cette inadéquation suscite fréquemment l'emploi de dispositifs dédiés : la modélisation 3D et les jeux vidéo. Par la suite, nous verrons plus précisément en quoi un dispositif peut être adapté ou non à une tâche, et comment les exigences d'une bonne adéquation justifient l'immense variété de dispositifs d'entrée existants.
Six paramètres sont nécessaires pour décrire la position et l'orientation d'un objet dans l'espace. Dans les applications d'animation ou de modélisation 3D, on dit que ces objets possèdent six degrés de liberté : trois en translation et trois en rotation. La manipulation de ces objets est fastidieuse avec un dispositif 2D comme la souris, qui ne possède que deux degrés de liberté en translation. L'une des techniques consiste à utiliser séquentiellement plusieurs modes de manipulation, dans lesquels on contrôle deux dimensions de l'objet à la fois.
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\includegraphics[scale=0.6]{3d_manip}
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Il existe sur le marché des dispositifs à six degrés de liberté qui sont couramment utilisés pour les tâches de manipulation 3D (figure fig:3d_manip, image de gauche) : moins maniables qu'un pointeur classique, ils se révèlent toutefois bien plus efficaces pour le positionnement rapide d'un objet dans l'espace. Pour des tâches de positionnement plus spécifiques, la mise en place d'une solution adaptée peut se révéler encore plus intéressante. La figure fig:3d_manip présente au centre une technique de manipulation d'un plan de coupe dans une application de planification neurochirurgicale : des capteurs positionnels 3D1.7 ont été placés sur deux objets physiques, le premier figurant le plan de coupe et le second l'objet à couper [Hinckley et al., 1994a]. Enfin, dispositif classique dans le domaine de la 3D, le gant de données possède des capteurs angulaires sur les articulations, ce qui le rend particulièrement adapté à l'animation de mains virtuelles (figure 1.2, image de droite). Le domaine de la 3D comprend de nombreux autres dispositifs dédiés, commercialisés ou non, que nous ne pouvons tous énumérer ici [Hinckley et al., 1994b,Zhai, 1998].
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\includegraphics[scale=0.5]{volant_pompier}
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Le domaine du jeu vidéo fait également un usage intensif de dispositifs dédiés, en particulier dans les salles de jeu. Les dispositifs conçus pour les simulations de pilotage s'inspirent des tableaux de bord réels de voiture ou d'avion, et sont bien plus appropriés que les contrôleurs de jeu génériques (figure 1.3, image de gauche). Ces dispositifs dédiés permettent un contrôle plus efficace du jeu, même si la plupart s'attachent avant toute chose à reproduire des situations réelles, afin d'ajouter au réalisme et augmenter l'immersion du joueur. C'est le cas par exemple des simulations de sport de glisse utilisant comme entrée les impulsions du joueur sur une planche, ou des jeux de « tir » utilisant des reproductions d'armes à feu, voire des dispositifs de pointage aussi peu maniables que des lances à incendies (figure 1.3, image de droite).
Le marché propose une grande variété de dispositifs d'entrée pour la plupart inconnus du grand public, et dans laquelle un concepteur d'applications dédiées a la possibilité de puiser pour rendre l'interaction bien plus efficace et naturelle. Cette grande diversité n'est pas fortuite, et une erreur courante consiste à croire qu'il suffit de choisir le « meilleur dispositif » parmi ceux qui « font la même chose ». Dans ses travaux, William Buxton met régulièrement en évidence la difficulté d'organiser les dispositifs en classes d'équivalence, et de comparer leurs performances de façon absolue. Selon lui, chaque dispositif possède des caractéristiques propres qui le rendent extrêmement efficace pour un petit nombre de tâches, et peu approprié pour les autres [Buxton, 1986b].
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\includegraphics[scale=0.55]{télécran}
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Pour illustrer ses propos, Buxton prend pour exemple deux variantes du jouet Télécran (figure 1.4). La première comporte deux boutons séparés pour le dessin, que la deuxième a intégrés dans une simple manette. Le second système pourrait être considéré à raison comme une amélioration du premier, car le dessin y est plus aisé. Cependant, le premier système est bien plus efficace pour le dessin de formes géométriques à base de traits horizontaux ou verticaux (figure 1.5).
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\includegraphics[scale=0.45]{télécran_tâches}
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Cet exemple montre la relative subtilité de la notion de compatibilité entre un dispositif et une tâche. La compatibilité stimulus/réponse, c'est-à-dire le degré de similitude entre les actions physiques effectuées sur le dispositif et les effets qu'elles produisent sur l'application, constitue une dimension importante de cette compatibilité. Une autre dimension importante est la compatiblité des propriétés intrinsèques du dispositif, en particulier mécaniques, avec les caractéristiques de la tâche. Ces notions seront illustrées dans un autre exemple imaginé par Buxton.
La figure 1.6 représente deux dispositifs possédant chacun deux dimensions de translation et une dimension de rotation : une manette avec un manche rotatif monté sur ressort, et un trackball1.8 sensible à la rotation d'axe vertical. Ces deux dispositifs, techniquement compatibles, ont pourtant des applications différentes. Le trackball permet de déplacer un objet à l'écran de façon très naturelle, car les mouvements effectués par la main sont très fortement liés aux déplacements qu'elles produisent sur l'objet. Sur la manette, la position du manche joue sur la vitesse et non sur la position de l'objet contrôlé1.9, d'où une plus faible compatibilité stimulus/réponse, et un contrôle moins aisé. Mais contrairement à la manette, le trackball ne permet pas l'utilisation simultanée de la translation et de la rotation. Par conséquent la manette, de par ses propriétés intrinsèques, serait un meilleur choix pour la navigation dans une interface de type cartographique, où il est intéressant de pouvoir se déplacer et zoomer tout à la fois.
Imaginons enfin une interface de contrôle dans une raffinerie de pétrole, où une partie du système est représentée par des tuyaux et des robinets. Le contrôleur peut s'il le juge nécessaire, pointer sur un robinet avec la manette, puis le tourner dans le sens désiré. L'utilisation d'une manette sera sujette à des erreurs de manipulation, car il est difficile de tourner le manche sans agir sur les autres dimensions. Le trackball est à l'inverse plus adapté à ce type de tâche, de par ses propriétés intrinsèques.
Certains dispositifs spécialisés ont été conçus pour des utilisateurs qui possèdent un savoir-faire particulier, et leur permettent d'être beaucoup plus efficaces en reproduisant des gestes qu'ils maîtrisent. D'autres dispositifs ouvrent l'accès à l'informatique aux utilisateurs pour qui la manipulation d'une souris ou d'un clavier n'est pas possible.
Malgré l'informatisation rapide du monde du travail, il existe encore des activités pour lesquelles les bénéfices d'une informatisation « classique » ne justifieraient pas le coût qu'imposerait la remise en cause des méthodes de travail traditionnelles. C'est dans ces situations que les démarches de conception centrées sur l'utilisateur [Norman and Draper, 1986,Mackay et al., 1998] prennent toute leur importance, car elles permettent de maximiser le transfert des savoirs-faire existants sur les systèmes informatisés. Nous verrons par deux exemples que le choix des dispositifs d'entrée peut prendre une part importante dans cette démarche.
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\includegraphics[scale=0.6]{tape_drawing}
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Dans l'industrie automobile, les concepteurs travaillant sur les silhouettes des nouveaux véhicules utilisent une technique appelée Tape Drawing, où les lignes principales de l'automobile sont dessinées à échelle réelle en déroulant un ruban adhésif noir sur une surface verticale (figure 1.7, image de gauche). Cette technique présente beaucoup d'avantages, dont celui de pouvoir dessiner aussi bien des lignes droites que des courbes parfaites. Ravin Balakrishnan a conçu un système de Digital Tape Drawing après avoir observé les méthodes de travail de ces artistes [Balakrishnan et al., 1999]. L'interface utilise deux capteurs positionnels 3D comme dispositifs d'entrées (un dans chaque main) et permet de reproduire une grande partie des techniques utilisées par les experts du Tape Drawing (figure 1.7, image de droite).
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\includegraphics[scale=0.7]{monkey}
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Dans les films en images de synthèse, les animations sont effectuées sur des logiciels spécialisés qui réclament un apprentissage important. Le domaine est encore jeune, et les animateurs très expérimentés sont rares. Pour certaines scènes délicates du film Jurassic Park, des dispositifs spéciaux ont été conçus afin d'employer l'expérience des animateurs « image par image » traditionnels, dont le travail habituel est de faire prendre des poses successives à des pantins articulés appelés armatures [Knep et al., 1995]. Le dispositif d'entrée, surnommé Dinosaur Input Device, est une armature de dinosaure enrichie de capteurs angulaires sur les articulations (jusqu'à 74 au total), et dont les mouvements sont retransmis au modèle 3D. Le principe a été réutilisé avec succès dans d'autres productions, et des dispositifs analogues sont désormais disponibles dans le commerce, comme l'armature modulaire Monkey (figure 1.8).
La précepte selon lequel l'informatique doit être accessible à tous guide aujourd'hui la plupart des plans nationaux sur les nouvelles technologies de l'information [GSA, 1991]. Alors que la plupart des utilisateurs souffrant de handicaps légers peuvent employer les dispositifs standard moyennant quelques adaptations logicielles ou matérielles, des équipements spécialisés deviennent indispensables dans les cas de handicaps plus sévères. Grâce aux avancées technologiques, ceux-ci sont de plus en plus nombreux et efficaces.
L'objectif des dispositifs d'entrée dits d'accessibilité est de fournir une alternative au clavier et/ou à la souris lorsqu'ils sont inutilisables. L'actuelle diversité des dispositifs existant traduit à peine la grande variété des handicaps, qu'ils soient visuels, auditifs, moteurs ou cognitifs. Dans la plupart des cas, une solution est spécifiquement étudiée pour un utilisateur donné. Nous décrivons dans cette section quelques techniques couramment employées.
Les alternatives au clavier. Il existe dans le commerce une grande variété de claviers « améliorés »: certains possèdent par exemple des grandes touches qui peuvent être pressées par un bâton placé dans la bouche. Les utilisateurs à la fois sourds et non-voyants emploient un clavier braille en combinaison avec un affichage braille. La reconnaissance vocale reste cependant l'alternative au clavier la plus courante [Pieper and Kobsa, 1999]. D'autres techniques ont été explorées, telles que la lecture automatique des mouvements de lèvres [Stork and Hennecke, 1996] ou celle de la langue des signes [Starner and Pentland, 1995].
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\includegraphics[scale=0.6]{bouche_pied}
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Les pointeurs alternatifs. D'autres parties du corps peuvent remplacer les mains dans les tâches de pointage. Une grande variété de dispositifs, allant des manettes spécialisées à des techniques de traitement d'image, permettent aux utilisateurs tétraplégiques de déplacer un curseur par des mouvements de la tête, de la bouche ou des yeux. Un dispositif contrôlé à la langue [Salem and Zhai, 1997] a notamment permis d'atteindre des performances seulement de 5 à 50% inférieures au contrôle manuel1.10 (figure 1.9, image de gauche). Il existe également un certain nombre de souris contrôlées au pied, baptisées taupes, dont l'un des premiers prototypes est reproduit sur la figure 1.9, image de droite [Pearson and Weiser, 1986]. Les pointeurs alternatifs sont également conseillés aux utilisateurs souffrant de douleurs tensionnaires répétitives liées à l'utilisation de l'ordinateur.
Le simple bouton. Certaines personnes à mobilité extrêmement réduite
sont uniquement capables de déplacer, de façon limitée, une partie de leur
corps: plier un doigt, cligner de l'
il, ou presser une pédale. Ces muscles
peuvent agir comme un simple bouton, dont l'état est soit ouvert soit fermé.
Les ondes cérébrales peuvent également être exploitées comme modalité d'entrée
binaire [Doherty et al., 2001]. Si la bande passante de ces dispositifs est extrêmement
faible, l'interaction est possible avec des techniques de type Oui/Non
[Doherty et al., 2001] ou des méthodes de scanning, où des objets (mots ou
lettres de l'alphabet, par exemple) sont successivement activés à l'écran et
choisis par l'utilisateur au moment voulu [Steriadis and Constantinou, 2003]. Des techniques
comme le radar mouse ou le crosshair mouse permettent notamment
d'émuler le comportement d'une souris [WordsPlus, 2003]. Lorsque les choix possibles
sont nombreux, des techniques de sélection dichotomique permettent d'accélérer
le processus.
Les contextes d'utilisation de l'informatique ne se limitent pas aux environnements de type bureau. Il existe un grand nombre de situations où l'emploi d'une souris ou d'un clavier est inadapté, voire impossible.
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\includegraphics[scale=0.6]{bornes}
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Les bornes interactives sont des appareils déployés dans des lieux publics afin de fournir un libre accès à des informations ou à un service. Ces appareils doivent répondre à des contraintes importantes liées à une utilisation en lieu public: accès immédiat adapté à un contexte "libre-service" (utilisation en position debout par exemple), simplicité et accessibilité aux personnes non habituées à l'informatique, et robustesse (en particulier dans les lieux exposés au vandalisme et aux intempéries) [Van Kampen, 2000]. L'écran tactile, qui répond à ces trois critères, est le dispositif le plus couramment utilisé dans les applications d'information (figure 1.10, image de gauche). Les distributeurs automatiques emploient des solutions plus spécifiques, tels que le pavé numérique pour les automates bancaires, ou les pointeurs monodimensionnels dans les distributeurs de titres de transport (figure 1.10, image de droite).
L'informatique embarquée désigne des appareils informatiques qui sont intégrés à des objets électroniques ou mécaniques, tels que les appareils hi-fi et électroménagers, les véhicules automobiles ou les avions1.11. Ce domaine met l'accent sur la miniaturisation et la fiabilité, mais également sur les qualités ergonomiques. Les panneaux de contrôle et les tableaux de bord constituent des exemples typiques de dispositifs d'entrée dédiés à la tâche, aussi bien par leur conception que par leur agencement spatial. En informatique embarquée, il est courant de devoir prendre en compte les spécificités de l'environnement: dans une voiture par exemple, le bruit ambiant est important et les mains et les pieds sont constamment occupés.
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\includegraphics[scale=0.5]{mobile}
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L'informatique mobile ou nomade désigne des outils informatiques légers que l'on conserve sur soi lors de ses déplacements. Elle nécessite des dispositifs d'entrée compacts et compatibles avec une activité nomade. Ainsi, la plupart des ordinateurs de poche comme les assistants personnels comportent un écran sensitif et la souris et le clavier sont remplacés par un simple stylet (figure 1.11, image de gauche). En milieu professionnel, un installateur téléphonique peut par exemple employer un ordinateur de poche muni d'un système de communication radio pour saisir et recevoir des commandes sur son lieu de travail [Preece et al., 1994]. La reconnaissance vocale est également employée dans l'informatique mobile, par exemple pour la composition de numéros sur des téléphones portables. D'autres techniques d'interaction ont été récemment proposées pour les appareils mobiles: l'une de celles-ci permet d'utiliser un ordinateur de poche avec une seule main en agissant simplement sur son inclinaison [Rekimoto, 1996]. Cette méthode a été ensuite adaptée à la saisie textuelle sur des appareils de très petite taille [Partridge et al., 2002] (figure 1.11, image de droite).
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\includegraphics[scale=0.5]{stevemann}
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Les ordinateurs vestimentaires constituent un domaine particulier de l'informatique mobile. Portés comme des accessoires vestimentaires, ces ordinateurs permettent d'accomplir des tâches informatiques courantes ou spécifiques sans interrompre son activité, l'exemple classique consistant à rédiger un courrier électronique tout en se promenant dans un lieu public. De tels systèmes emploient traditionnellement des dispositifs visuels ou sonores non intrusifs associés à des dispositifs d'entrée variés, allant de simples boutons placés à des endroits stratégiques, à des systèmes à base de reconnaissance vocale. Les chord keyboards, claviers légers comportant un nombre restreint de touches employées de façon combinée, sont couramment utilisés [Jacob, 1996]. Des informations en provenance de l'environnement peuvent également être exploitées (GPS, capteurs biométriques). L'informatique peut également être intégrée aux vêtements grâce au textile intelligent qui est, entre autres, sensible au toucher [Mann, 1996].
L'évolution de l'équipement grand public est lente mais réelle. Après plusieurs décennies de stagnation, nous assistons actuellement à deux tendances importantes: une complexification des dispositifs standard d'une part, et une démocratisation de certains autres périphériques d'autre part.
Malgré la grande inertie du marché des dispositifs d'entrée grand public, il n'est pas rare de voir les dispositifs standard subir des extensions significatives. L'ajout sur les souris d'une molette servant à faire défiler les documents, pourtant récente, est devenue un quasi-standard sur les systèmes Windows.
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\includegraphics[scale=0.6]{disps_modernes}
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Aujourd'hui, l'ajout de contrôles additionnels sur les périphériques standard est de plus en plus courant. La plupart des souris modernes possèdent un ou deux boutons latéraux supplémentaires, faisant usage du pouce et de l'annulaire (Figure 1.13, image de gauche). Ces boutons peuvent être assignés à des opérations courantes telles que la navigation dans l'historique des pages Internet. Les claviers « Internet » proposent également des boutons de navigation, ainsi que des contrôles dédiés à l'écoute de CDs audio (figure 1.13, au centre). Enfin, la plupart des manettes modernes possèdent un ou deux contrôles analogiques supplémentaires : une manette des gaz et un chapeau multidirectionnel servant à spécifier la direction du regard, et il n'est pas rare de voir jusqu'à 14 boutons disposés sur l'ensemble du dispositif (figure 1.13, image de droite).
La complexification des dispositifs de saisie est une conséquence naturelle de la diversification et de la complexification des tâches. Dans l'industrie du jeu, la multiplication considérable des contrôles sur les manettes de jeu modernes s'explique par des simulations de plus en plus réalistes et hautement interactives qui génèrent une demande accrue quant aux capacités des dispositifs de contrôle. Sur les claviers et souris, les extensions physiques proposées par le marché ne sont pas toutes essentielles et pertinentes, et il y a fort à parier que toutes ne s'imposeront pas comme la molette. Cependant, l'ajout d'un contrôle physique peut se révéler fort profitable, en particulier lorsqu'il est assigné à une tâche répétitive. La plupart des boutons sont programmables, et contrairement aux touches de fonction du clavier, sont souvent aisés à discerner et à mémoriser, et possèdent un comportement similaire entre les applications.
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\includegraphics[scale=0.6]{disps_communs}
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Jusque là, seuls les utilisateurs avancés (les joueurs passionnés, par exemple) étaient prêts à investir dans des équipements spécialisés coûteux. Maintenant, grâce à la baisse des coûts du matériel et en particulier de certains périphériques, le grand public peut progressivement se rendre compte de l'intérêt que peuvent présenter les dispositifs d'entrée non standard. Des périphériques comme le microphone, la webcam (que certains jeux spécialisés exploitent [Sony, 2003]) et la tablette graphique (livrée gratuitement avec certains logiciels) sont maintenant de plus en plus courants dans les configurations matérielles1.12 (figure 1.14). Il y a fort à parier que la configuration rigide de l'ordinateur de bureau évolue à terme vers des configurations de plus en plus riches et hétérogènes en termes d'entrée. À condition, bien sûr, que les applications apprennent à les exploiter au mieux.
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\includegraphics[scale=0.6]{compatib_devices}
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