Interaction temps réel
et Pure-Data

III - Capteurs et Pure-Data

Capteurs et grandeurs physiques captées

Définition :

Un capteur est un dispositif qui, soumis à l'action d'un mesurande, présente une caractéristique de nature électrique

Un capteur mesure une grandeur physique (mesurande).

Les propos qui suivent peuvent sembler caricaturaux mais il faut comprendre qu'un capteur n'est absolument pas intelligent...
Pour des capteurs, l'être humain n'est qu'un obstacle mobile pesant opaque caractérisé par divers paramètres physiques :

Caractéristique humaine	Paramètre mesurable
Volume, taille	distance, longueur
Poids	masse
Mobilité	vitesse, position, accélération
Changement de forme	déformation, flexion, inclinaison
Non transparence	luminosité
Source de chaleur	température
Source de bruit	son

Chacun de ces paramètres peut être
mesuré et/ou perçu par un capteur.

Classification par grandeurs physiques captées

- Paramètres physiques mécanique
contact, force, pression, flexion, accélération, inclinaison

- Paramètres physiques environnementaux
Température, humidité, pression, gaz ou fumée
ou substances chimiques, champ magnétique terrestre

- Ondes sonores
Son, volume sonore, ultrasons, effet Doppler à ultrasons

- Ondes électromagnétiques basses fréquences
Effet Doppler radar, télémètre laser, interrupteur capacitif, Theremin

- Ondes infra-rouges
Capteurs pyroélectriques, barrière infra-rouge, réflexion infra-rouge, triangulation optique

- Ondes lumineuses visibles
Photorésistances, barrettes CCD, caméras

- Ondes électromagnétiques hautes fréquences
Compteurs Geiger

Conséquences en Pure Data :

=> Les données des capteurs doivent être
- affichées
- analysées
pour que le programmeur en déduise quelle variation de signal correspond à quel comportement (du spectateur/acteur/performeur/...).

=> Si, en observant les données seulement, on n'arrive pas à repérer l'événement que l'on veut capter, il faut changer de capteur.

Autres caractéristiques des capteurs

Continu / discret / tout ou rien
Etat / variation d'état
Lent / rapide / temps réel

Ces caractéristiques influent sur le traitement en Pure-Data.

Actif / passif
Contact / sans contact
Embarqué / Semi-embarqué / dans l'environnement

Courbe de réponse d'un capteur

Variation du signal électrique en fonction de la variation du mesurande.

-> Il y a différents types de réponses.

Vocabulaire de caractérisation d'un capteur

Sensibilité

Variation du signal électrique du capteur / variation du mesurande
=> Réglage du gain sur le capteur.
=> Amplification éventuelle en PD.
=> Influence par exemple le choix d'un seuil en Pure Data.

Etendue de mesure

Différence entre les valeurs extrêmes de la plage du mesurande (max - min).
=> Choix de la résolution de l'interface à capteurs.
=> Etalement ou réduction des données en PureData.

Bande passante

Différence des fréquences extrêmes de fonctionnement.

Temps de réponse à X%

Durée au bout de laquelle la sortie recopie l'entrée à X %
=> En PD, influence le délai d'utilisation des données.

Limitations / imperfections des capteurs

- Vieillissement

Dégradation/variabilité des caractérisques au cours du temps
=> En PD, nécessité de prévoir des réglages faciles à modifier
ou autoadaptatifs

- Grandeurs d'influence

Variation du signal en fonction d'autres paramètres que le mesurande
=> En PD, étudier la possibilité de s'affranchir de ces effets
(pas toujours possible)

- Précision / incertitude

Erreur de précision: incertitude de mesure / étendue de mesure

- Rapport Signal / Bruit (en db)

Dynamique du capteur / dynamique du bruit
=> En PD, filtrages
=> Attention au risque de confondre donnée significative et bruit

Capteurs mécaniques simples

Interrupteur simple (tout ou rien)

- Contacteur mécanique
- Contacteur magnétique

Exemples de boutons

Interrupteurs au sol (tout ou rien)

Tapis sensitif 1 zone / zones multiples

=> Traitement du signal en PD : éventuellement éviter les rebonds.

Potentiomètres

- analogique : rotatif ou lineaire
- numérique : roue codeuse, codeur incrémental

- Rotatif 1 tour / multitours / rotation infinie
- Linéaire

Potentiomètres

=> Equivalent en PD : slider
=> Permet de mimer n'importe quel autre capteur analogique
=> Affichage des données, échantillonage

Capteurs mécaniques sensibles à la pression/déformation

Capteurs FSR : contact, poids, posture...
Potentiomètre souple
Jauge de contrainte
Capteurs de flexion
Ecran tactile

Capteurs FSR, de pression

Capteur de flexion

 Dalle FSR 2 axes

=> Traitements de données possibles :
inversion de variations, seuil de déclenchement, lissage, mémoire de l'état avant relâchement du capteur, ...

Capteurs d'accélération

Accéléromètre / Inclinomètre
Gyromètre

Accéléromètre 2 axes

=> Traitement de données indispensable
=> Analyse de mouvements
=> Exemples : repérer un mouvement dans le flot de données, le début du mouvement, sa fin, un rythme, ...

Grandeurs physiques environnementales

- Humidité
- Pression
- Gaz, fumée, substances chimiques

- Température

- Température

- Capteurs météo : air / sol / eau
Sondes souvent couplées à un capteur d'humidité

- Thermistances

Capteur de température

=> En PD, garder la possibilité d'ajuster facilement le traitement des données pour tenir compte des variations de l'environnement du capteur

 Mesure de température et humidité sous abri.
 Température - thermomètre

Champ magnétique terrestre

- Capteur magnétique à effet hall

- Capteur magnéto-résistif (boussole)

    
Champ magnétique terrestre


Boussole

=> Traitements de données complexes pour les boussoles :
sensibilité au champ magnétique local.

Ondes sonores

Microphone

Principe

- Micro à électret
- Micro à bobine ou électrodynamique

Caractéristiques

Capteur à fort débit / temps réel
Types de micro : Micro omnidirectionnel / Micro directionnel / Portée très variable

=> Applications possibles en Pure Data

Prise d'ambiance sonore / restitution à distance
Réaction à un son précis
=> Analyses, filtrages, enveloppe, traitements très divers

       

Capteur de volume sonore

Principe

- Signal issu d'un micro
- Détection d'enveloppe avec un montage électronique adapté

Caractéristiques

Capteur + lent

Grande sensibilité au souffle et aux percussions.
Réglage possible pour ajuster la sensibilité à la voix ou non.

=> Utilisations en PD très diverses :
utilisation de l'enveloppe d'une voix, déclenchement d'un événement à partir d'un seuil, analyse d'un niveau sonore général, ...

Télémètre à Ultrasons

Principe

Il s'agit d'une imitation de la chauve-souris. Nécessité d'une émission régulière d'ultrasons.

Exemple de transducteur à ultra-sons

Telemetre à ultrason Midi

Détection des obstacles : l'attente de l'écho est proportionnelle à la distance.
Information : Distance du premier obstacle rencontré.

=> Reconstitution d'une mesure en PD par assemblage de deux Control Change
=> Mesure de distance directe
=> Mesure de vitesse, détection de présence, détection de mouvements par analyse des données de distance

Caractéristiques des mesures / Limitations / Parasitage

- Cône de réceptivité
- Précision
- Portée (3 à 10 m)
- Matériaux réfléchissants / absorbants
- Interférences
- Parasitage (percussions métalliques, systèmes pneumatiques)

=> Filtrage en PD, lissage, utilisation de min / max, médian
=> Analyse des données filtrées, pour en déduire le comportement de l'utilisateur et décider comment gérer la suite du patch

Ondes électromagnétiques basses fréquences

- Effet Doppler radar

- Theremin et détecteurs capacitifs

Capteurs sensibles à la présence et à la proximité

=> Traitement utile en PD :
limiter les multiples détections correspondant en fait à un seul mouvement

Ondes infra-rouges

Capteur pyroélectrique

Sensibilité à un mouvement de chaleur
Généralement associés à une lentille de Fresnel
Ne permet pas de détecter la présence immobile de personnes

- Détection de mouvement
- Détection de passage

- Capteur lent, saturé par la foule

=> Traitement en PD :
analyse du signal pour déterminer l'état stable en absence de mouvement
=> Réduction du seuil du 8 ana !

Proximètre infra-rouge à triangulation optique

Caractéristiques :
- Tout ou rien / proportionnel
- Détecteur de proximité
- Signal non linéaire
- Repliement du signal

=> Exemples de traitements de données en Pure-Data :
Fonctionnement en barrière
Linéarisation des données

  
Proximètre requin-marteau (signal variant selon la distance) et proximetre ET (signal tout ou rien)

      
 Voltage envoyé par le capteur, en fonction de la distance.

Barrières optiques

Capteurs de lumière inra-rouge ou visible
Barrière double

=> Analyse de l'ordre de passage devant les faisceaux de lumière

Ondes lumineuses visibles

Capteurs photoélectriques

Principe :

Capteur sensible à la quantité de lumière reçue
Une variation de lumière provoque une variation de signal

Seuil de réaction ou mesure de variation :

Plusieurs types de capteurs

- Transistor - Commandes tout ou rien
- Optique - Détection de passage à longue distance
- Ecran TV - Détection de mouvements en temps réel

=> En PD, détection de passage ou utilisation en « Theremin »

Exemple de capteurs LDR analogiques directives

Barettes CCD

Cameras

Conclusion

Nécessité du traitement des données en Pure Data (ou autre logiciel) lorsque des capteurs sont utilisés.