TPE : La stéréoscopie
Par Michael FLANAGAN et Anthony BLONDET
Les différentes techniques
Le stéréoscope
Un stéréoscope est un dispositif optique qui utilise des miroirs ou des prismes. Elle permet de donner une impression de 3D à des dessins et des photographies mais également à des vidéos.
Le premier stéréoscope est dû au physicien anglais Charles Wheatstone, en 1838. C’est le premier à décrire avec précision le principe de la vision en relief grâce à la vision binoculaire.
Il a créé des couples stéréoscopiques de dessins, ou stéréogrammes, c’est-à-dire des dessins qui sont préparés spécialement pour être utilisés avec le stéréoscope, ce sont des dessins du même objet mais pris avec un angle différent (généralement le même écart d’angle qu’entre nos deux yeux). Plus tard, des appareils photo à deux objectifs ont été inventés
pour pouvoir prendre une photo d’un même objet avec un angle différent plus facilement. Charles Wheatstone plaçait donc deux ouvertures dans son stéréoscope avec deux miroirs à 90° qui renvoyaient latéralement le regard chacun vers un des deux dessins stéréoscopiques.
Cela fut le premier stéréoscope de l’histoire, et d’autre scientifiques ont décidés par la suite d’élaborer les leurs, comme Holmes qui créé en 1850 un stéréoscope destiné à l’observation des cartes stéréoscopiques (aussi appelé stéréoscope mexicain), en plein essor à cet époque. Il était composé d’une visière avec deux lentilles composées de prismes insérées à l’intérieur. Cette invention américaine a été un succès et a continué à être fabriquée pendant un siècle parès son élaboration.
Il faut préciser que le stéréoscope est utilisé pour faciliter la vision des deux stéréogrammes mais qu’il est possible de le faire à l’œil nu. Il faut juste s’entraîner à séparer la vision que nous avons en deux images distinctes, celle de l’œil droit et celle de l’œil gauche.
Cette technique d’application de la 3D nous donne conscience de l’extraordinaire faculté de notre cerveau à donner des images en relief du monde qui nous entoure grâce à la vision binoculaire.
Louis Ducos du Hauron
Louis Lumière
L'anaglyphe
Après avoir parlé des « origines » des outils de stéréoscopie, intéressons nous maintenant à la méthode d’application de 3D qui parle à tout le monde : l’anaglyphe. Bien que cette méthode soit décrite pour la première fois par Rollman en 1857, c’est Louis Ducos du Hauron, l’inventeur de la photo couleur, qui est considéré comme l’inventeur de l’anaglyphe et qui lui donne ce nom. Il finit de la mettre au point en 1891 et devient vite l’objet d’une importante production : elle est utilisée dans l’enseignement, les loisirs, la publicité… En 1936, Louis Lumière, l’inventeur du cinéma, utilise l’anaglyphe dans un de
ses films. Suite à ce long-métrage, l’anaglyphe est longtemps resté la principale méthode d’application de la 3D, surtout au cinéma, du fait qu’elle est très simple à réaliser et très accessible.
L’image en anaglyphe se décompose en deux images légèrement décalées (65mm précisément, ce qui correspond à l’écart de nos deux yeux) et simultanées, représentant les deux images que l’on reçoit par nos yeux dans la vie de tous les jours ; mais ici, les deux images ne sont pas de la même couleur, elles doivent être complémentaires.
Comme on peut le voir sur le cercle chromatique ci-contre, la couleur blanche nous est donnée par d’addition de toutes les couleurs visibles par l’œil : cela s’appelle justement la synthèse additive de la couleur. Toutes les couleurs que l’on voit sont composées des trois couleurs primaires : le vert, le rouge et le bleu. Chaque association de deux couleurs primaires donnent une couleur secondaire : le cyan (vert+bleu), le magenta (rouge+bleu) et le jaune (rouge+vert). Les couleurs complémentaires sont donc une couleur secondaire et la couleur primaire qu’il manque pour obtenir du blanc.
Ces deux images sont donc composées de couleurs complémentaires et c’est ici qu’interviennent les lunettes à anaglyphes. Ces lunettes sont composées non de verres mais de filtres colorés (les mêmes couleurs complémentaires que pour l’image) et leurs rôles est de permettre à l’œil de ne voir qu’une seule des deux images superposées. En effet, si
l’image est composée de rouge et de cyan, l’œil qui regarde à travers le filtre rouge ne pourra voir que la partie rouge et l’œil qui regarde à travers le filtre cyan ne pourra bien évidemment voir que la partie cyan. Si l’image a le rouge à gauche et le cyan à droite, alors les lunettes devront avoir le rouge à droite et le cyan à gauche.
Il s’agit encore ici de la vision binoculaire qui nous permet de voir le relief. Chaque œil ne voit que les éléments visibles à travers son filtre, ainsi chaque œil a sa propre vision de la scène. L’écart particulier entre les deux images fait que le cerveau les interprète comme un seul, il combine donc les deux images et cela produit une impression de 3D. Cette méthode avait l’avantage d’être peu coûteuse, mais le rendu des couleurs est loin d’être bon.
L'écran à polarisation
Les méthodes précédemment exposées avaient l’avantage d’être plutôt simple et pouvait se pratiquer sur beaucoup de support, même un support papier. Mais avec les avancées technologiques, les découvertes scientifiques et l’envie d’avoir un résultat toujours plus parfait, les savants ont utilisé la polarisation pour faire des images en 3D.
Cette technique d’application est surtout utilisée au cinéma car trop fastidieuse à utiliser dans d’autres circonstances.
La polarisation est découverte en 1808 par Etienne Louis Malus et il publie un document sur sa théorie l’année suivante. C’est une propriété des ondes vectorielles (un espace dont les propriétés sont modifiées selon un vecteur), qui fait qu’elles peuvent donc osciller selon plus d’une orientation. Ce principe concerne beaucoup de choses autour de nous dans la vie de tous les jours, comme les vitres ou le Soleil ; mais on l’utilise aussi volontairement : en biologie, en géologie, en chimie, pour le Wi-Fi, la télévision…
Cette propriété concerne uniquement les ondes électromagnétiques, la lumière est donc concernée par la polarisation. Effectivement, la lumière est composée de particules appelées photons, et ces photons se dispersent aléatoirement dans l’espace en oscillant dans toutes les directions.
Quand on regarde un film au cinéma, un projecteur envoie l’image sur le support. Plus précisément, la lumière du film ou plutôt les photons sont envoyés depuis le projecteur jusqu’au support, puis vont du support jusqu’à notre rétine qui transmet l’information au cerveau et qui nous permet de voir le film.
Dans le cas d’un film projeté en 3D grâce à un écran à polarisation, il y a deux projecteurs qui projettent deux stéréogrammes (voir la partie sur le stéréoscope) superposés sur un écran qui doit être impérativement métallisé pour pouvoir conserver la polarisation. Chaque projecteur est équipé d’un filtre polarisant différent qui ne laisse passer que les photons horizontaux pour l’un et verticaux pour l’autre. Ces photons vont aller sur l’écran métallisé, puis se diriger vers les yeux du spectateur.
C’est ici que les lunettes polarisantes jouent leurs rôles, car leurs verres polarisants ne laissent passer que les photons à oscillations verticales OU horizontales. Quand les photons vont traverser les verres polarisants, un des deux verres va donc laisser passer uniquement les photons à oscillations horizontales et l’autre les photons à oscillations verticales (si le verre gauche des lunettes ne laisse passer que les oscillations horizontales, alors l’image du projecteur destinée à l’œil gauche doit avoir un filtre qui ne laisse passer également que les oscillations horizontales pour qu’il y ait une impression de 3D, et vice-versa pour l’œil droit).
L’œil gauche va donc recevoir une certaine image, l’œil droit va recevoir l’autre image, encore une fois la vision binoculaire va jouer son rôle et le cerveau va traiter l’image de manière à nous donner une impression de relief.
Cette méthode est plus complexe, plus coûteuse car les projecteurs à filtres polarisants coûtent cher mais les couleurs sont parfaites, contrairement à la méthode de l’anaglyphe. En revanche, des mouvements de la tête pendant la projection peuvent empêcher de bien voir l’image en relief.
La projection alternée
La projection alternée utilise la technologie 3D XPand qui est la technique la plus utilisée aujourd'hui.
Cette technique utilise des lunettes dites actives ou à obturation, elle ne nécessite pas d’écran particulier, bien que certains écrans possèdent tous les programmes pour faire fonctionner cette méthode de stéréoscopie et ne nécessitent pas de matériel supplémentaire, c’est le cas des téléviseurs 3D qui sont commercialisés depuis 2009.
Ces lunettes à obturation LC (Liquid Crystal) permettent de visualiser des images en 3D à partir de deux images
stéréoscopiques affichées sur un écran : les deux images sont projetées de façon alternée par un même projecteur. Il y a donc une image pour chaque œil.
Les lunettes actives ont un récepteur qui leur permet d’obturer alternativement chaque œil grâce à des cristaux liquides (un état de la matière particulier qui est à la fois liquide et solide). Ces cristaux liquides se situent donc dans les verres, entre deux plaques où ils ont été injectés pour former une couche. Quand on active les lunettes, les panneaux de cristaux se mettent à tourner très rapidement.
Les signaux contrôlant chaque verre sont synchronisés avec l’alternance des images stéréoscopiques, de manière à ce que l’œil gauche ne voie que les images « gauche » et l’œil droit ne voie que les images de « droite ». Cette synchronisation est très importante car contrairement aux autres techniques de relief vues précédemment, les deux images n’apparaissent jamais en même temps sur l’écran.
Suivant le signal que l’on applique aux cristaux liquides, le système d’obturation rend le verre soit opaque, soit transparent : dans le premier cas la lumière ne peut plus passer, dans le deuxième cas elle peut. Cela permet donc de séparer les deux images.
Cette alternance est indétectable pour nos yeux car les images changent beaucoup trop vite : 144 images sont projetées par seconde au lieu de 24 dans le cinéma en 2D, chaque œil reçoit 72 images décalées par seconde. Or chez l’Homme, l’œil ne peut enregistrer que 12 images par seconde à cause de la persistance rétinienne : chaque image que l’on voit reste imprimée sur la rétine pendant un court laps de temps.
Le spectateur ne voit donc qu’une image en continu, le cerveau est dupé et il a une impression de relief. Cette méthode est la plus coûteuse de toutes : les lunettes coûtent au minimum 100€, et un bon projecteur HD utilisant cette technologie peut coûter jusqu’à 100 000€. Cependant, on peut trouver des téléviseurs 3D à projection alternée à 500€.
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L'auto stéréoscopie
Depuis le début, on parle de technologies qui permettent de restituer des images 2D en 3D. Mais il existe bien des techniques qui permettent de le faire sans technologies particulières ! Cela s’appelle l’auto stéréoscopie. L’auto stéréoscopie est donc une technique particulière de stéréoscopie et elle se base sur un phénomène évoqué un peu plus tôt : la persistance rétinienne.
Cette persistance rétinienne fait que tous ce que l'on voit reste « imprimé » 50 millisecondes sur notre œil. Cela peut se remarquer facilement dans la vie de tous les jours. Par exemple c’est ce principe qui fait que quand on secoue un doigt
rapidement de gauche à droite, on a l’impression qu’il se dédouble. En effet, l’alternance à grande vitesse de la position du doigt fait que le cerveau est obligé de superposer les deux images.
C’est cela qui fait que l’image du dinosaure ci-contre nous paraît être en relief : une alternance rapide de deux images stéréoscopiques, même sans lunettes, permet au cerveau de voir une image en trois dimensions.