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tout public FlashiPhone – Symétrie cristalline


La première application sur iPhone de l’EPFL a été sélectionnée parmi les meilleures pour la formation en ligne. La cristallographie  y est présentée de façon ludique.



The first EPFL iPhone application has been selected among the best for online training. It presents crystallography in a playful way.


Gervais CHAPUIS

Ivan ORLOV

Stephan BURLOT


Pour ceux qui ne sont pas familiers avec le monde de l’éducation en ligne, la Souris d’Or est une distinction qui récompense une innovation suisse en informatique. En 2010, elle a été attribuée à la meilleure application publique pour téléphone mobile destinée à la formation ou à la formation continue et qui fait référence. Le 28 octobre lors de l’exposition WorldDidac à Bâle, le jury a sélectionné trois applications, l’une d’entre elles provenant de l’EPFL est destinée aux étudiants en physique et sciences des matériaux.
La popularité des téléphones portables représente une opportunité pour améliorer l’éducation scientifique tout en utilisant des activités ludiques. Par le biais du jeu, il est possible de développer de nombreux talents et par là de fournir la motivation et l’intérêt indispensables à l’acquisition de nouvelles connaissances. Afin d’améliorer l’image de marque des sciences naturelles et de contrecarrer la diminution du nombre d’étudiants dans les cursus scientifiques, nous proposons d’utiliser les téléphones portables dans le but d’illustrer des concepts qui sont souvent perçus comme ennuyeux ou difficiles. Ceci concerne en particulier la physique et la chimie qui se basent sur des théories et des données numériques qui peuvent facilement être représentées graphiquement. Dans le but d’illustrer ce nouveau concept, une première application pour l’étude de la symétrie cristalline sur iPhone - Escher Mobile - est disponible à l’adresse escher.epfl.ch/iphone/ ou sur l’AppStore. Cette application illustre le concept de symétrie d’objets périodiques à deux dimensions c’est-à-dire les 17 groupes de symétrie planaire. La connaissance de ces concepts constitue un préalable nécessaire à la compréhension de la symétrie des espaces de plus hautes dimensions.
Afin d’exercer sa propre créativité, on choisit tout d’abord un des groupes de symétrie. L’aide donne tous les détails sur les caractéristiques du groupe et les opérations de symétrie. La maille est ensuite indiquée sur l’écran. Il suffit de choisir l’outil de dessin (un point, un atome, une fleur, une coccinelle) pour créer un motif. Chaque déplacement de l’outil sélectionné modifie instantanément le motif permettant ainsi d’étudier les différents modes de symétrie, le nombre de points équivalents par symétrie et toute autre propriété associée au groupe sélectionné.
Une fois que le motif est terminé, il est possible de l’envoyer à des amis ou de l’inclure dans la collection virtuelle des oeuvres.

Concept

L’apprentissage à vie (Lifelong Learning), concept communément admis en Europe ou apprentissage continu, implique une éducation volontaire et motivée par le biais d’une variété de plates-formes différentes. En termes de motivation, une activité ludique, par opposition aux manuels scolaires, est l’outil d’apprentissage le plus efficace. Il est évident qu’une personne ne peut s’asseoir en face de livres durant la vie entière. Par contre, on peut créer un environnement où l’apprentissage a lieu volontairement et de façon continue.
Notre principal défi n’était pas de développer un logiciel, mais de transformer une tâche éducationnelle en une fonction agréable de la vie quotidienne au point où elle n’est plus perçue comme éducative. Et sans oublier bien sûr les avantages offerts par la plate-forme iPhone, comme l’écran tactile et l’accéléromètre.



Interface

L’application génère des motifs à l’instar du kaléidoscope où l’utilisateur peut déplacer un objet à l’aide d’un outil et le reproduire en temps réel suivant les lois de symétrie sélectionnées. L’utilisateur dispose au choix de 8 objets et 17 groupes de symétrie et de plus certains objets sont disponibles en plusieurs couleurs. Une fois que l’utilisateur a fait son choix, l’objet qui clignote à l’intérieur de l’unité de répétition (la maille) délimitée par deux paires de lignes parallèles peut être déplacé sur l’écran tactile ce qui entraîne un déplacement de tous les autres objets générés par les règles de symétrie. L’utilisateur peut ainsi observer les effets de symétrie en reproduisant l’objet.
Mais comment voir un objet de 24 pixels si vous le masquez par votre doigt ? La solution est que l’objet clignotant est toujours attaché à votre doigt, indépendamment de son emplacement. En d’autres termes, on peut placer son doigt assez loin pour voir l’objet confortablement et l’objet va reproduire en parallèle le mouvement esquissé sur l’écran par le doigt. En appuyant sur le bouton de changement de mode, l’objet laisse une trace. Ainsi vous pouvez créer votre propre modèle selon votre imagination. Un des défis fut de trouver une sélection appropriée d’objets. Pour illustrer le rôle de la symétrie dans son ensemble, quelques-uns des objets doivent posséder une symétrie propre et d’autres pas (objet avec chiralité, par exemple une main gauche vs une main droite). En plus, chaque objet d’une taille de 24x24 pixels doit être facilement reconnaissable, être apprécié par les enfants et libre de tout droit. Certains ont été créés de toutes pièces et d’autres ont été extraits de bibliothèques publiques.
Outre le mode de dessin classique, nous avons ajouté deux modes de dessin nouveaux liés à l’accéléromètre de l’iPhone. En mode gravité (Gravity Mode), l’objet principal est mu par la force de gravité et glisse vers le bas lorsque l’iPhone est incliné. Dans un autre mode, l’iPhone génère un nouveau modèle composé de trois objets choisis au hasard et répliqué par les lois de symétrie présélectionnées, chaque fois que vous secouez l’appareil (Shake Mode).
Une autre partie importante concerne l’ouvrage de référence rapide expliquant le fonctionnement des règles de la symétrie et comment combiner jeu et apprentissage. Il contient également des illustrations pour toutes les opérations de symétrie et des commentaires aussi adaptés aux enfants.



Codage

Ce logiciel a été écrit en Objective-C, avec l’environnement de développement Xcode qui est distribué gratuitement par Apple. Les principales difficultés rencontrées lors du développement ont été d’une part l’adaptation des règles de symétrie qui ont dû être modifiées afin de respecter la position du point d’origine (0,0) en haut à droite de l’écran, au lieu du coin inférieur droit qui est la norme en trigonométrie.
De plus, lors de la sélection de certains groupes de symétrie, il peut y avoir plus de 100 objets (ou sprites) à animer en même temps à l’écran ce qui, compte tenu de la vitesse relativement faible du processeur de l’iPhone 3G (qui utilise un processeur ARM cadencé à 400MHz) a rendu l’écriture de cette partie relativement complexe. En effet, l’animation de nombreux objets simultanément à l’écran s’apparente aux difficultés rencontrées lors de l’écriture de jeux vidéos.
L’arrivée de l’iPhone 3GS avec son processeur à 600MHz et assisté par un processeur graphique plus puissant a rendu les animations plus fluides.
La méthode actuellement utilisée est de pré-calculer les variations de chaque objet (en termes de rotation et réflexions) et des les afficher dans des calques (CALayer) qui sont affichés à l’écran aussi rapidement que possible.
Malheureusement, lors de la sortie de la version 4 de l’OS de l’iPhone, la modification par Apple de certaines des API font que l’animation est extrêmement lente avec cette version de l’OS de l’iPhone. En particulier, le moteur actuel d’animation fait une utilisation intensive de la méthode CGContextDrawImage qui, pour une raison non communiquée par Apple, est 25x plus lente avec l’OS 4.0.
Une réécriture du moteur de dessin est envisagé pour la prochaine version d’Escher Mobile v.2 (prévue janvier 2011), d’une part à cause des modifications apportées par Apple dans l’iOS 4.0 et suivants, et d’autre part afin de tirer partie des écrans plus grands de l’iPhone 4 (écran de 960x640 pixels) et de l’iPad (1024 x 768 pixels).




Soumission

Pour développer et soumettre l’application à l’AppStore, il a fallu souscrire au programme de développement universitaire pour iPhone (actuellement Programme Universitaire iOS). Contrairement aux programmes de développement standards et pour entreprise d’Apple, celui-ci est gratuit et permet jusqu’à 200 développeurs de travailler en équipe, de partager des ressources de développement et de travailler avec un certificat commun.
On distingue deux rôles principaux pour l’équipe de développeur :

  1. L’agent (l’auteur qui a été accepté dans le programme Apple pour développeur) est la personne de contact pour l’équipe. Il est responsable pour la gestion des membres de l’équipe, pour l’engagement de nouveaux membres et pour assigner les tâches de chacun. C’est aussi la seule personne qui peut créer et supprimer les identificateurs - certificats digitaux permettant aux membres de l’équipe de tester l’application en développement sur leur iPhone. Dès que le développement de l’application est terminé, l’agent la soumet à l’AppStore.
  2. L’équipe de développement a accès au SDK, aux pré-release des logiciels, forums, vidéos pour tutoriels et peut signaler les problèmes éventuels au support d’Apple.

L’inscription s’est déroulée sans problème jusqu’à la réception du message suivant de la part d’Apple : « We are currently in the process of reviewing your iPhone Developer Program enrollment information. Please fax the Certificate from the Commercial Register (Handelsregisterauszug) of identity for EPFL based on your company form. The fax number for submission of this information is ... ».

Quel type de document pourrait faire l’affaire ? L’EPFL n’est pas enregistrée dans le registre du commerce et une lettre avec en-tête de laboratoire ne peut pas être acceptée puisqu’elle ne comporte aucun numéro de série et est trop facile à imiter. Après quelques jours et plusieurs tentatives de recherche d’un compromis mutuellement acceptable pour prouver l’existence de l’EPFL, il a fallu se rendre à l’évidence et abandonner cette voie. Finalement nous avons abdiqué et opté pour un programme standard de développement en payant les 99 USD pour continuer le développement, tout autre détail demeurant inchangé.
Pour l’instant tout fonctionne pour le mieux, excepté qu’une adresse e-mail une fois enregistrée dans une base de données d’Apple ne peut être utilisée pour une autre inscription même si la précédente inscription n’est plus ou n’a jamais été valable. Ainsi une adresse e-mail de l‘EPFL a été dégradée et il est surprenant d’apprendre que même le support d’Apple n’est pas en mesure d’éliminer cette adresse de sa base de données. Il a fallu recréer une nouvelle boîte aux lettres !
Ce problème mis à part, le processus de soumission s’est déroulé normalement. Voici quelques repères sur la durée de la soumission de notre application pour la première fois :

  • application pour le programme de développement universitaire : attente de 2 semaines. Demande d’extrait du registre de commerce. Abandon ;
  • application pour le programme de développement standard : 99 USD. Attente de 2 jours pour approbation ;
  • installation du certificat pour les tests (provisioning profile for Ad Hoc distribution) : 2 heures ;
  • création de l’icône pour l’application Escher et descriptif pour l’AppStore : 4 heures ;
  • préparation des fichiers pour soumission, copies d’écran incluses, support pour site web et correspondance : 1 jour ;
    Les images suivantes sont requises :
  1. icône png 57X57, arrondi et effet sont ajoutés automatiquement,
  2. image tiff/jpeg 512x512,
  3. jusqu’à 4 copies d’écran de l’application (on l’obtient en pressant simultanément le bouton de démarrage et le bouton d’accueil de l’appareil) ;
  • soumission de l’application : attente de 3 jours pour approbation.

Escher mobile a été publié le 9 mars 2010 et à fin octobre il a déjà été téléchargé plus de 2500 fois.
La copie d’écran indique les pays en tête de liste des téléchargements pour les 26 dernières semaines.

Version future

Avec son grand écran et un processeur bien plus puissant, l’iPad est une excellente plate-forme pour la formation en ligne. Des jeux mathématiques au visualisateur d’anatomie, il peut être utilisé pour une variété de sujets et de niveaux d’instruction- de l’école enfantine à l’éducation supérieure. Cela est particulièrement vrai pour la physique, la chimie et la science des matériaux où la connaissance peut être représentée graphiquement. La cristallographie  empiète sur ces trois disciplines et s’adapte bien aux outils de la formation en ligne.
Nous préparons une nouvelle version d’Escher Mobile qui est prévue pour janvier 2011. Outre l’utilisation des nouveaux outils - comme le dessin vectoriel - nous prévoyons un mode test où l’étudiant pourra tester ses connaissances en identifiant la symétrie de certains motifs. Il est également prévu une intégration avec Facebook, par l’intermédiaire duquel les nouvelles créations de motifs pourraient être soumises dans le but de promouvoir la science.
Nous considérons que ces développements représentent une avancée pour un environnement d’apprentissage plus attrayant, ce qui aura pour conséquence d’améliorer la performance dans le domaine de l’éducation scientifique. En conclusion nous encourageons vivement les enseignants de l’EPFL à considérer les avantages des outils mobiles dans leurs domaines respectifs.

Notes historiques

Dès 1987, de nombreux cristallographes et autres spécialistes ont apprécié le logiciel Escher Sketch écrit pour Macintosh par Terry Flaherty de l’Université Loyola à la Nouvelle Orléans. Ce logiciel attractif avait pour but de concevoir des décorations périodiques. Cette application s’est vite avérée comme un excellent outil d’enseignement pour illustrer le cours de base de cristallographie. Il était facile de sélectionner l’une des 17 possibilités de symétrie dans l’espace à deux dimensions (les 17 groupes d’espace à deux dimensions ou groupes planaires) et d’utiliser les opérations de symétrie pour générer automatiquement des motifs périodiques à deux dimensions. Avec les différents outils disponibles, il était donc facile de générer tous les motifs périodiques possibles de papiers peints.
Afin de rendre un tel programme facilement accessible aux étudiants et enseignants de la cristallographie ainsi que d’autres personnes intéressées dans l’art de décorations périodiques, le professeur Gervais Chapuis, alors directeur de l’Institut de cristallographie de l’UNIL et Wes Hardaker ont crée un nouveau logiciel, Escher Web sketch, dans le langage Java afin d’être directement accessible sur le Web. Ce logiciel permettait d’exploiter la couleur et d’autres outils ont été ajoutés pour faciliter la création de structures cristallines à deux dimensions. En 2006, G. Chapuis et ses deux collaborateurs - I. Orlov et N. Schoeni - ont publié la première version d’ Escher Web sketch pour téléphones mobiles compatibles Java 2.0, Escher Mobile. Cette application est référencée sur de nombreux sites dédiés à la formation par mobile interposé et dans de nombreuses publications scientifiques. Escher Mobile permet de soumettre les nouvelles créations à la galerie Web sur le site Web de l’EPFL. Cette application fait partie des outils recommandés au cours de cristallographie.



Glossaire

Cristallographie :
science qui se consacre à l’étude de la matière condensée à l’échelle atomique. Une grande partie de cette matière existe sous forme cristalline : minéraux et minerais, métaux et alliages, céramiques et dents, os, pratiquement tous les produits chimiques inorganiques et organiques, vitamines, protéines, virus... Pour cette raison, la cristallographie est une branche essentiellement interdisciplinaire qui empiète sur la physique, la chimie, les sciences de la vie et des matériaux ainsi que les géosciences.
Opérations de symétrie :
La symétrie est une caractéristique des figures géométriques, des équations et d’autres objets. On dit qu’un tel objet est symétrique par rapport à une opération donnée, si cette opération appliquée à l’objet, le laisse inchangé ou invariant. Deux objets sont symétriquement équivalents par rapport à un groupe donné d’opérations de symétrie si l’un est obtenu à partir de l’autre par l’une des opérations. Dans l’espace à deux dimensions, les opérations de symétrie sont essentiellement les translations, les rotations, les réflexions et les glissements (p. ex. traces régulières de pas dans la neige).
Groupes de symétrie cristallographiques planaires :
un groupe planaire (ou papier peint) est un concept mathématique permettant de classer tout type de décoration répétitive (périodique) dans le plan. De telles décorations se trouvent fréquemment dans l’architecture et dans les arts décoratifs. L’étude mathématique des décorations révèle qu’il n’existe que 17 types ou groupes différents. Ces groupes sont liés aux groupes cristallographiques plus complexes en trois dimensions, aussi appelés groupes d’espace


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