Champ de Vision du Conducteur | tpe-voiture-autonome

Partie 2 : Le Champ De Vision

2.1 Le Champ de Vision du Conducteur

Dans cette deuxième partie du TPE, nous allons comparer les visions du conducteur humain à celui de la voiture autonome, sujet de notre étude. Nous allons nous intéresser principalement au champ visuel, très important pendant la conduite.

A- Le Champ de Vision de l'humain

Tout d’abord qu’est-ce que le champ visuel ?

Le champ visuel correspond à l'étendue de l'espace que perçoivent les deux yeux quand ils sont fixes et regardent en face. Les yeux transmettent alors au cerveau par le nerf optique les informations qu'ils perçoivent dans ce champ visuel, en prenant en compte leur forme, leurs couleurs et leur volume.

Le champ visuel d’un œil est l’ensemble de tous les points de l’espace vus par cet œil alors qu’il regarde un point droit devant lui (sans bouger l’œil ou la tête).

Nous allons procéder maintenant à une expérience pour déterminer l’étendue du champ de vision humain en temps normal.

Expérience de détermination du champ de vision de l’humain

Hypothèse

L’humain possède une étendue du champ visuel totale d’environ 180° horizontalement.

Matériel expérimental
- un grand tableau (comme celui des salles de classe) avec un tableau central ainsi que deux battants sur les côtés
- des craies de couleurs (rouge, vert et bleu)
- un humain sain (sans maladie oculaire ni défaut de l’œil, du nerf optique ou du cortex cérébral visuel)

Dispositif
Détermination du champ de vision de l’œil droit :

-Placer une croix (3cm de large pour 3 cm de long environ) à peu près au centre du tableau, à la hauteur précise des yeux du sujet qui servira à l’expérience avec une craie blanche.

Tableau vierge avec croix fixe au milieu

L’individu qui servira à l’expérience devra fermer l’œil droit d’abord.

Il devra, pendant toute l’expérience, fixer la croix avec l’œil gauche en se plaçant juste devant celle-ci de manière à ce que la croix se situe dans l’axe optique de son œil gauche.
On utilisera pendant l’expérience un double décimètre qui servira à garder la distance de 20 cm afin que le sujet soit fixe pour minimiser les erreurs relatives.

L’individu servant à l’étude se tient face à la croix et garde une distance de 20 cm entre son oeil ouvert et le tableau avec la règle tenu, la seconde personne se tient prête à commencer l’expérience.

On a relevé de 30° chaque battant périphérique du grand tableau

La seconde personne déplace de la périphérie du tableau vers la croix au centre, la craie de couleur. On déplace donc la craie dans toutes les directions: du bas vers le haut, de la gauche vers la droite, de la droite vers la gauche, etc.

On repère pour chaque cas la position de la craie quand elle commence à être aperçue et on marque l’endroit précis à l’aide de la craie de couleur (bleue pour l’œil droit et rouge pour l’œil gauche).

(Il est cependant possible pour cette expérience de faire l’inverse: partir de la croix au centre et s’éloigner dans toutes les directions jusqu’à ce que la craie ne soit plus perçue)

On réalise exactement le même travail pour l’œil droit.
Les marques sont reliées entre elles pour permettre de déterminer l’étendue globale du champ visuel :

Photographie des marques reliées (en pointillés) faites au tableau à la fin de l’expérience

On repasse à l’aide d’un logiciel (Paint) sur les traits qui relient toutes les marques où l’objet a commencé à être perçu. On utilise le rouge pour le champ de vision de l’œil gauche et du bleu pour le droit.

Même photographie modifiée avec Paint

En additionnant les champs visuels des deux yeux, avec le même logiciel, on repasse le champ visuel total en jaune.

Photographie retouchée (avec Paint) où le champ de vision total est mis en évidence en jaune

Observations
Chaque œil a son propre champ de vision.
L’étendue du champ de vision de l’œil droit est globalement à droite, et celui de l’œil gauche sur la gauche.
On remarque par ailleurs une zone du champ de vision au milieu du tableau qui est vue par les deux yeux.
De plus, verticalement, le sujet possède une étendue du champ visuel plus grande vers le bas du tableau que vers le haut.
Le fait d’avoir rabattu les battants extérieurs du tableau de 30° pour l’expérience permet de déterminer l’angle du champ de vision totale de l’individu.

Un cliché photographique de la situation étant difficile à prendre vu de haut, le schéma simple mais explicatif ci-dessous servira à montrer l’étendu global du champ visuel horizontal de l’individu.

Schéma explicatif de l’étendue du champ de vision horizontal de l’humain

On mesure également les différents angles importants à l’aide d’un grand rapporteur de classe:
Pour chaque œil, environ 90° vers l’extérieur (vers la tempe); donc un total d’environ 180° horizontalement en additionnant les angles des deux yeux (90 + 90=180°)
60° vers l’intérieur (vers le nez) pour chaque œil
60° vers le haut pour les deux yeux
70° vers le bas pour les deux yeux également

Donc un total de 180° horizontalement et de 130° verticalement

Conclusion:

L’hypothèse est donc vérifiée, le champ de vision humain couvre bien environ 180° avec les deux yeux horizontalement et 130° verticalement.

On peut également remarquer qu’il existe grâce aux différentes photographies :

Un champ visuel monoculaire : ce qui est vu par un seul œil. L’œil gauche et l’œil droit ont un champ visuel différent.
Un champ visuel binoculaire: tous les points qui sont vus par les deux yeux ouverts.

Pour notre TPE, nous ne nous intéresserons qu’au champ visuel horizontal (et pas vertical) car en voiture, un conducteur regarde presque toujours au loin devant lui quand il conduit : son champ de vision est donc très peu vertical mais plutôt horizontal.

Cependant, bien que l’humain couvre un champ de vision total de 180° horizontalement, celui-ci est néanmoins réduit par différents facteurs :

1) Tout d’abord l’alcool :

(Pour ces parties, nous n’avons pas souhaité alcooliser ni droguer un élève pour faire l’expérience, nous avons donc suivi des recherches sur des sites internet d’universités médicales et de sécurité routière).

Sous l’emprise de l’alcool, les informations circulent au ralenti dans le cerveau ce qui a des conséquences sur la vision. De plus, les cellules et les muscles des yeux fonctionnent eux-aussi au ralenti. Résultat : la capacité de vision latérale est altérée.

Une route avec un motard à une intersection

Vision d’un conducteur alcoolisé de la même route au même moment

Le flou sur les côtés de la photo représente la vision latérale ou périphérique du conducteur, altérée par les effets de l’alcool sur le cerveau et sur le fonctionnement de l’œil.
On remarque que le conducteur alcoolisé ne voit pas la moto qui arrive pourtant de la droite à l’intersection une centaine de mètre après. On comprend que l’alcool augmente fortement le risque d’accident sur la route.

Ainsi, l’ingestion d’alcool modifie la perception visuelle d’un individu:

- il trouble la vision: le sujet ne voit plus net mais flou

- il modifie aussi l’appréciation des distances, en effet le cerveau d’un individu alcoolisé, fonctionnant au ralenti, les calcule moins bien.

- il est parfois responsable de forts éblouissements : les muscles qui contrôlent la fermeture et l’ouverture de la pupille en fonction de la luminosité fonctionnent aussi au ralenti. Résultats, on est plus facilement ébloui la nuit par des phares de voiture par exemple et l’éblouissement reste un certain temps en fonction de la dose d’alcool consommée.

- enfin, il réduit de manière importante le champ visuel du sujet alcoolisé et principalement la vision périphérique. En effet, les muscles oculomoteurs qui contrôlent le mouvement des yeux dans leurs orbites ainsi que les cellules qui tapissent la rétine fonctionnent aussi au ralenti ce qui a pour conséquence une forte altération de la capacité de vision latérale.

Ces différents facteurs augmentent avec la dose d’alcool ingérée: plus on consomme d’alcool, plus les différents facteurs s’aggravent.

Or, de nombreuses personnes malgré la loi, prennent le volant alcoolisées et multiplient leurs chances d’être victime d’accident: un accident sur trois en France implique un conducteur alcoolisé. L’alcool est ainsi la première cause de mortalité sur la route. En effet, en plus d’une création de surestimation des capacités du conducteur au volant, les facteurs énoncés réduisent (en fonction de la dose d’alcool ingérée) ces mêmes capacités (comme nous l’avons précédemment vu dans notre TPE pour le temps de réaction), et notamment le champ visuel du conducteur.

En fonction de la quantité d’alcool absorbé, il perturbe donc la vision humaine en rétrécissant notamment le champ visuel.

2) Ensuite réduit par certaines drogues :

Des études ont été menées sur les méfaits des stupéfiants comme les drogues hallucinogènes (LSD, l'ecstasy, mescaline et psilocybine), mais aussi l’héroïne, la cocaïne, le cannabis, le GHB et d’autres substances illicites répertoriées.
On sait que les drogues n’agissent pas sur la rétine ni sur l’aire visuelle primaire dans le cortex visuel.
Or, on a remarqué que la consommation de drogue altérait le fonctionnement du cerveau.
Cela veut donc dire que l’endroit où les molécules actives présentes dans les drogues agissent serait au niveau de la transmission de l’information nerveuses, entre les yeux jusqu’au cortex visuel.
Tout d’abord, les molécules du principe actif de la drogue passent dans le sang et viennent jusqu’au cerveau. Là, elles agissent de la manière suivante : les molécules présentes dans certaines drogues perturbent d’autres molécules présentes naturellement dans le cerveau et qui ont un rôle neurotransmetteur (elles aident la transmission du message nerveux depuis le nerf optique jusqu’au cerveau entre chaque neurone, dans les synapses).
En effet, les « mauvaises » molécules possèdent une analogie avec la forme des molécules au rôle neurotransmetteur.
De ce fait, elles parviennent à prendre la place des molécules naturelles qui transmettent les messages nerveux au niveau des synapses, sur les récepteurs des neurones en se fixant à leur place.
Le message nerveux entre deux neurones est alors modifié, le cerveau ne fonctionnera pas correctement et au niveau de la vision, celle-ci sera perturbée.

Les symptômes visibles sont :

Une perception visuelle déformée :
          - champ de vision rétréci,
          - instabilité de l'image,
          - mauvaise appréciation des distances et des vitesses,
          - difficulté de reconnaissance des objets,
          - troubles du comportement (surexcitation, agressivité ou désintérêt)
          - et surtout des hallucinations.

Or, sur la route, le conducteur s’oriente quasiment totalement grâce au sens de la vue.
Cependant, nous avons vu les différents symptômes créés par la consommation de certaines drogues.
Ainsi prendre le volant sous l’emprise de drogues multiplie le risque d’accident de la route car le conducteur ne voit pas normalement car son cerveau ne fonctionne pas correctement.

3) Certaines maladies oculaires :

Des maladies des yeux ou du cerveau existent, rétrécissant le champ visuel de l’humain de manière plus ou moins grave.

Pour illustrer simplement les maladies les plus courantes, nous nous sommes appuyés sur les images d’un site d’université médicale concernant les neurosciences.

Image de référence (vision d’un sujet sain)

Hémianopsie : la personne atteinte est aveuglée d’une partie gauche ou droite de son champ visuel ou bien des deux :

Hemianopsie latérale homonyme Hémianopsie bitemporale

Scotome: Une tache aveugle apparaît et trouble ainsi le champ de vision :

Scotome central

Déficit diverses: Perturbation diverse du champ visuel de l’individu malade :

                              Vision en canon de fusil              Déficit arciforme

Ces modifications du champ visuel sont causées par des pathologies au niveau de la rétine de l’œil.

Le champ visuel humain est donc rétrécit chez les individus atteints à cause de ces différentes maladies oculaires (maladies des yeux et pas du cerveau).

4) Réduit avec l’âge

Les différentes maladies vues précédemment apparaissent surtout avec l’âge mais même si une personne âgée ne présente pas ces maladies, son champ visuel périphérique présente un rétrécissement naturel dû au vieillissement des cellules des yeux.

Le graphique ci-dessous représente le champ visuel d’une personne jeune et saine (24 ans) et celui d’une personne saine mais âgée (75 ans). Ce graphique a pu être effectué à l’aide d’un appareil spécifique utilisé en ophtalmologie.

Evolution normale du champ visuel avec l'âge (œil droit)

Nous avons ainsi vu que le champ visuel humain normal était d’environ 180°. Seulement, ce champ de vision peut être modifié par la consommation d’alcool, de certaines drogues, par diverses maladies des yeux et de manière naturelle avec l’âge.
On pourrait penser que l’humain voit parfaitement dans toute l’étendue de son champ visuel et passer à la partie consacrée à la voiture autonome. Seulement, ce n’est pas le cas : l’homme ne voit pas de façon homogène dans son champ visuel total.
En effet, bien que l’étendue du champ de vision humain soit de 180°, le cerveau se concentre surtout sur le champ de vision central appelé champ du regard où les images apparaissent très nettement et que les objets apparaissent en volume (phénomène 3D).
La vision très nette dans cette partie de la vision permet de lire par exemple.
Or pour lire, chacun remarque qu’il faut que le texte se situe en face des yeux, au centre du champ visuel, dans le champ de vision central ou champ du regard. Il est en effet impossible de lire un mot qui ne se situe pas dans le champ de vision central. Cependant, même si l’humain ne voit pas nettement dans son champ de vision latéral, il distingue cependant les mouvements anormaux sur les côtés. On repère ainsi très rapidement un déplacement, un mouvement anormal sur les côtés ce qui attire notre attention.
L’animation qui suit fait comprendre qu’on distingue nettement ce qui se passe dans le champ visuel central mais mal ce qui se passe en périphérie. Cliquer ici pour afficher l'animation.

En bas à gauche, cliquer sur champ visuel (près de la voiture bleue)
(L’animation qui nous intéresse est la première. Les suivantes sont toutefois aussi en rapport avec la suite du TPE).

Pour cette animation, mettre la croix dans le rond avec la souris attire notre attention, on l’exécute en regardant attentivement ce que l’on fait : la partie centrale du champ visuel est occupée par l’action de la croix dans le rond.
On aperçoit soudain sur le côté quelque chose qui a bougé. Cependant, l’évènement n’est pas apparu dans notre champ visuel central, on a vu un objet bouger mais on ne sait pas quoi, l’image n’était pas nette. L’objet est apparu dans notre champ visuel périphérique.

On met ensuite une seconde fois la croix dans le rond. Le même objet apparaît brièvement mais cette fois ci à proximité de la croix et du rond. Cette fois-ci, on a pu distinguer la nature de l’objet (une voiture bleue).
En effet, il est apparu dans notre champ de vision central.

Ainsi, plus un objet se trouve au centre du champ visuel, plus on le distingue nettement (à condition qu’il se situe à plus de 25 cm de l’œil, distance à partir de laquelle l’œil n’accommode pas assez pour voir net). On peut ainsi décomposer le champ visuel humain de cette manière :

L’humain est donc beaucoup moins attentif à ce qui se passe en périphérie, dans les champs de vision monoculaires de chaque œil et il distingue moins bien les détails, les images ne sont pas nettes.

Nous avons donc étudié le champ de vision humain. Seulement, la voiture permet grâce à trois rétroviseurs d’augmenter le champ visuel du conducteur.

B- Le Champ de Vision du Conducteur

1- Les Angles morts

Les voitures sont pourvues de trois rétroviseurs depuis les années 1970. Ces miroirs, très utiles, permettent de compléter le champ visuel du conducteur humain.

Prenons un exemple concret que nous avons pu tester. Avec différentes photos, nous avons tenté de modéliser le champ visuel total d’un conducteur avec les rétroviseurs :

Hypothèse

Le champ visuel de l'humain combiné aux rétroviseurs, ne couvre pas les 360°.

D’abord, voici la situation globale vue de haut. Un cycliste se trouve à côté d’une voiture.

Matériel

- une voiture

- un vélo

- une caméra

Dispositif

Résultats

Observons le champ visuel de ce conducteur :

1) Vision du conducteur quand il regarde devant lui 2) Vision du conducteur dans son rétroviseur gauche

3) Vision du conducteur dans son rétroviseur 4) Vision du conducteur dans son rétrovseur droit

intérieur

Observation

Le conducteur ne voit personne qui puisse lui faire obstacle, il pourrait tourner à gauche…

Pourtant un cycliste se trouve bel et bien à côté du véhicule.

Nous avons effectué une situation à l’arrêt mais il en est de même si la voiture roule : le cycliste se situant dans l’angle mort du conducteur n'est pas vu. Comme le conducteur n’a pas conscience d’un objet (ici c’est un cycliste) à côté de son véhicule, il pourrait tourner sans se rendre compte du danger.

Nous avons vu que le champ visuel humain était d’environ 180°. Voyons maintenant le champ visuel d’un conducteur dont le véhicule possède les trois rétroviseurs obligatoires :

Schéma d’explication du champ de vision total du conducteur

Les rétroviseurs couvrent une surface du champ visuel indirect totale de 50° (en bleu clair sur le schéma).

Le champ visuel humain direct est de 180°

Le champ visuel total du conducteur avec les rétroviseurs sera donc de :

50+180=230°

Or, il subsiste des angles dits « morts » où le conducteur est « aveugle ».

On peut les calculer car l’environnement qui nous entoure est défini par un angle de 360°.

Or on sait que le champ visuel du conducteur avec les rétroviseurs est de 230°.

Donc 360 – 230=130°

Le conducteur ne peut pas voir une zone horizontale de 130°, ce sont les angles morts.

C’est plus d’un tiers des 360°.

Comme nous le montre le schéma en rouge, il y a un angle mort gauche et un angle mort droit de mesures égales.

On sait que la totalité des angles morts est de 130°.

Donc pour déterminer l’angle mort droit ou gauche nous calculons :

130 : 2=65°

L’angle mort droit ainsi que l’angle mort gauche font chacun 65°.

Le conducteur peut donc voir un ensemble de 230° grâce à son champ visuel d’humain et grâce aux rétroviseurs. Cependant, il ne peut pas voir dans un angle total de 130° (65° à droite et 65° à gauche), appelé « angle mort ».

Ces angles morts sont responsables de nombreux accidents de la route.

2- D'autres limites

Nous allons enfin étudier une dernière limite de la vision sur la route d’un conducteur humain : l’évolution de son champ visuel en fonction de la vitesse à laquelle il roule.

Nous avons essayé de modéliser ce phénomène en filmant à l'avant d'une voiture, la route qui défile.

Nous avons donc filmé la route à différentes vitesses (50, 70, 90, 110 et 130 km/h) pour ensuite analyser les vidéos pour voir si le phénomène de restriction du champ visuel du conducteur était visible.

Seulement, nous nous sommes retrouvés face à deux problèmes importants.

Tout d'abord, nous avons calculé à l'aide d'un grand rapporteur le champ visuel de la caméra avec le zoom au minimum : le champ visuel ne dépassait pas 50°.

Or nous savons que le champ de vision de l'humain est de 180°.

L'expérience n'était donc à première vue pas pertinente.

Le second problème était qu'une caméra ne "voit" pas de la même manière qu'un humain. Il n'y a pas de flou et la caméra se concentre sur tout l'environnement en même temps.

Nous n'avons donc pas à la suite de cette expérience pu démontrer que le champ de vision de l'humain se réduisait en fonction de la vitesse.

Le champ de vision du conducteur se restreint donc en fonction de la vitesse à laquelle il va :

En effet, il est démontré que plus la vitesse du véhicule augmente, plus le champ de vision direct du conducteur (devant lui) se restreint :

On remarque ainsi que plus la voiture roule vite, moins le conducteur parvient à voir de façon nette le paysage qui l'entoure. En effet, avec la vitesse, le cerveau qui ne dispose « que » de 25 images par seconde environ pour reconstituer l’environnement visible, ne peut reconstituer une image nette car le paysage défile trop rapidement. On a donc sur les côtés une sensation de flou à grande vitesse comme nous l’avons modélisé par l’illustration ci-dessous.

Photographie originale d'une route, vue d'une voiture

Photographie retouchée qui modélise la restriction du champ de vision humain à une vitesse de 130 kilomètres par heure, sur cette même route

Ce phénomène de restriction du champ visuel devient de plus en plus marqué avec l'augmentation de la vitesse. En effet, les pilotes de chasse, par exemple lorsque qu'ils atteignent des vitesses très importantes (plus de deux fois la vitesse du son soit 2400 km/h environ), ont leur champ visuel qui se réduit de manière très importante allant même jusqu'au phénomène de tunélisation du champ de vision.

A 130 km/h, le conducteur n’a certes pas cette sensation extrême, mais l'exemple d’un avion de chasse permet de mieux comprendre le phénomène de restriction du champ visuel. En augmentant la vitesse, la tunélisation du champ de visuel s'amplifie. Pour un conducteur au volant il ne distingue plus les détails des bas-côtés de la route.

Conclusion

Le champ de vision de l’humain est en temps normal d’environ 180° horizontalement. Or, différents facteurs vont l’amener à plus ou moins se réduire : l’alcool, la drogue, certaines maladies oculaires et le vieillissement naturel. Et pour un conducteur, la vitesse de son véhicule réduit son champ de vision également.

De plus, bien qu’avec les différents rétroviseurs dont le conducteur dispose pour agrandir son champ de vision, l’humain, comme nous l’avons vu, ne se concentre que sur son champ visuel central appelé champ du regard où il voit net. La vision périphérique ne permet pas de distinguer des objets, des formes et des volumes nettement à l’arrêt, et encore moins à grande vitesse. Tous ces facteurs sont problématiques pour une conduite sûre. En effet, sur la route, la vision permet de capter plus de 90 % des informations que le cerveau reçoit. Il est donc dangereux de conduire en temps normal car on ne voit pas tout l’environnement en même temps, mais encore plus dangereux sous l’emprise de drogues, d’alcool, avec des maladies ou en vieillissant. Cependant, le conducteur ne s’en rend souvent pas bien compte. En effet, les preuves sont en chiffres avec plus de 1,3 millions de personnes tués sur les routes dans le monde et 40 fois plus de blessés chaque année et 80 % de ces accidents dus à une erreur humaine. Le fait que la voiture soit omniprésente dans notre société rend toutes les populations vulnérables à un éventuel accident de voiture, dû très souvent à un défaut de visibilité.

Bien que la voiture soit meurtrière, on ne peut pas l’interdire car nous avons tout de même besoin de nous déplacer. Alors pour faire face à ce problème de société majeur, de nombreux chercheurs et ingénieurs travaillent sur un projet de grande ampleur : la voiture autonome.

Voyons comment celle-ci serait plus sûre que le conducteur humain dans le domaine de la vision de la route.