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Depuis l’avènement du 7ème art, les techniques cinématographiques pour la capture et la restitution d’images n’ont cessé d’évoluer. Après le son et la couleur, voici un nouvel atout pour les réalisateurs, le relief !

Introduction

On parle déjà, depuis un moment, de  la 3D pour les effets spéciaux et les films d’animation. En effet, grâce à l’évolution des ordinateurs, on peut calculer des images, exactement comme si on prenait une photo d’une scène virtuelle. La scène est construite en 3 dimensions (comme dans le monde réel), mais le résultat final (le rendu) est une image projetée sur un plan (comme une photo). Si ces techniques permettent de rendre les effets spéciaux plus réalistes et les images plus spectaculaires (explosions,  monstres, …), elles n’offrent pas plus de profondeur lors de la projection dans une salle que les images traditionnellement obtenues au moyen d’une caméra, ce n’est donc pas à cela qu’on fait référence quand on parle de cinéma 3D.

Étant donné notre vision binoculaire, nous avons une perception plus intense de la profondeur que celle obtenue uniquement par les jeux d’ombres et la perspective. En effet, l’image perçue par notre œil droit est différente de celle perçue par notre œil gauche, le cerveau peut, en les combinant, évaluer la distance à laquelle se trouve l’objet regardé (voir schéma). Cette distance reste approximative, mais l’impression de profondeur est fortement modifiée, en particulier pour les objets en mouvement.

Comparaison de l'image obtenue par l'œil droit et l'œil gauche pour, en (a) un objet projeté sur un écran, et en (b) un objet réel

On voit donc que, pour obtenir une impression de profondeur, il est nécessaire que l’œil droit et l’œil gauche reçoivent des images différentes. Technologiquement séparer les images perçues par nos yeux n’est pas chose facile. Il existe plusieurs méthodes, mais elles ne sont pas toutes équivalentes par rapport à la dégradation de l’image.

Technique de séparation

La plus connue de ces méthodes consiste à séparer les deux images en se basant sur les couleurs. En utilisant des lunettes avec des verres colorés de couleurs complémentaires (rouge et vert par exemple), on masque une des deux images pour un œil et réciproquement. En effet un objet rouge sur fond rouge (où à travers un filtre rouge) est quasiment invisible alors qu’il ressort fortement sur un fond vert. Cette méthode a l’avantage d’être bon marché et facile à mettre en œuvre. Ses principaux inconvénients sont qu’elle altère fortement les couleurs originales de l’image qui doivent être adaptées et qu’elle est peu confortable pour la vision.

À gauche des lunettes stéréoscopique, à droite une image traitée pour la vision stéréoscopique

Cette technique n’est pas utilisée pour le cinéma 3D car elle est fatigante pour les yeux lors d’une utilisation prolongée. Il existe une méthode de séparation des images se basant sur les couleurs et qui permet de garder des couleurs fidèles. Elle n’est pas décrite dans cette article, mais est expliquée dans un site  référencé plus bas. Une autre méthode possible pour ne pas altérer la couleur, est d’utiliser des lunettes qui vont successivement masquer la vision de l’œil gauche et de l’œil droit. L’image que doit percevoir l’œil gauche est affichée lorsque l’œil droit est masqué puis l’œil gauche est masqué et l’image pour l’œil droit est affichée et ainsi de suite… . Grâce à la persistance rétinienne et si la fréquence des changements est suffisamment rapide, notre cerveau n’a pas le temps de voir les noirs entre chaque images et il perçoit deux images stables, une pour chaque œil. Il faut cependant une synchronisation parfaite entre les lunettes et les images projetées ce qui est relativement difficile techniquement.

Polarisation de la lumière

La dernière technique que nous allons présenter est la plus répandue. Elle se base sur une des propriétés de la lumière, la polarisation. La lumière est une onde électromagnétique, cela signifie qu’elle est composée de deux champs, l’un électrique et l’autre magnétique, qui oscillent en phase à la même fréquence perpendiculairement à la direction de propagation. Sans s’attarder sur les détails contentons-nous de dire que la direction d’oscillation du champ électrique définit ce qu’on appelle la direction de polarisation. Les sources lumineuses classiques (comme les ampoules à incandescence traditionnelles) émettent de la lumière non polarisée, c’est à dire que la lumière émise est une superposition d’ondes électromagnétiques dont les directions d’oscillation sont toutes aléatoires (voir schéma a). En revanche, de la lumière composée d’ondes dont les directions d’oscillation sont toutes les mêmes et constantes dans le temps est dite polarisée linéairement (voir schéma b), c’est ce qui nous intéresse ici.

Polarisation de lumière, en (a) de la lumière naturelle et en (b) de la lumière polarisée linéairement

Pour obtenir de la lumière polarisée linéairement, on utilise un polariseur. Ce dispositif optique ne laisse passer que les composantes de la lumière qui sont polarisées dans une direction choisie. Si la lumière est polarisée verticalement et que l’on place sur son chemin un polariseur qui ne laisse passer que la lumière polarisée horizontalement, la lumière est entièrement arrêtée, à l’inverse si on place un polariseur vertical, la totalité de la lumière est transmise. On peut utiliser cette propriété pour sélectionner les images perçues par les yeux. En polarisant la lumière qui correspond à l’image de l’œil droit verticalement et horizontalement pour l’œil gauche puis en plaçant les polariseurs adéquats devant les yeux du spectateur, on parvient ainsi à séparer les images perçues par les deux yeux. L’avantage principal de cette méthode est que les couleurs ne sont pas altérées car la couleur de la lumière est due à sa fréquence d’oscillation et non à sa direction.

En pratique d’autres états de polarisation peuvent être utilisés, comme la polarisation circulaire. A la place d’une direction de polarisation constante, celle-ci décrit un cercle. Mais en ce qui concerne le principe de base, il reste identiquement le même, ces états de polarisation sont utilisés pour séparer les images perçues par les deux yeux.

Détail technique

Avec des lunettes munies de verres polarisants et deux projecteurs d’images polarisées perpendiculairement l’une par rapport à l’autre, on est sur la bonne voie pour construire un cinéma 3D mais il reste le problème de l’écran… . La plupart des cinémas actuels possèdent des écrans non-métalliques, une couche de peinture ou un autre revêtement adapté assure la bonne réflexion de l’image. Cependant, ces revêtements ne conservent pas la polarisation de la lumière lors d’une réflexion ;  ils ont tendance à polariser la lumière dans des directions aléatoires. Afin de conserver la polarisation de la lumière lors d’une réflexion, il faut que le matériau réfléchissant soit métallique ! Ceci implique, pour les cinémas voulant se munir d’un système de projection 3D, de remplacer les écrans actuels par des écrans métalliques fort coûteux. Il faut en outre que chaque spectateur soit équipé de lunettes avec des verres polarisants.

Résultats

L’utilisation d’une technologie 3D permet au spectateur de se plonger (littéralement) dans le film. En effet, la 3D est utilisée pour donner une profondeur vers l’écran, comme si on regardait le film dans une boite ou encore un aquarium.

Attention, le cinéma 3D n’offrira pas le même effet à tout le monde, en particulier les problèmes de vue  qui peuvent altérer très fortement l’effet de profondeur, surtout si l’un des deux yeux a une vision plus faible. Les personnes qui portent des lunettes correctrices devront les garder lors de la projection du film et y superposer les lunettes polarisantes.

Les films en relief peuvent sembler plus flous que les films traditionnels, ce n’est pourtant qu’une impression. En temps normal, nos yeux passent d’un objet à un autre et le cristallin  s’adapte automatiquement pour que les objets se situant à des distances différentes soient toujours nets (un peu comme l’auto-focus sur les appareils photo numériques). Ce processus d’adaptation est très rapide, ce qui fait que nous ne le remarquons même pas. Lorsqu’on regarde un film en 3D le cerveau “pense regarder” le monde réel et s’attend donc à pouvoir mettre au point sur tous les objets de la scène. Mais, comme nous l’avons vu plus haut, l’illusion de la 3D est due au fait que les yeux perçoivent deux images différentes. La netteté de ces images dépend de la mise au point de la caméra au moment de l’acquisition et ne peut en aucune façon être modifiée par notre œil. Le caméraman fait bien entendu la mise au point sur l’élément important de la scène et les objets des autres plans sont donc moins nets. Lors de la projection d’un film classique, les deux yeux perçoivent les même images et le flou est correctement interprété comme un flou dans l’image. En revanche ,lors de la projection d’un film en 3D, le flou est interprété comme une mauvaise mise au point de l’œil, ce qui explique pourquoi l’impression de flou est plus présente.

Ces techniques de 3D sont connues depuis relativement longtemps. Le temps qu’il a fallu pour les voir arriver sur nos écrans de cinéma s’explique par toutes les difficultés techniques, de l’acquisition d’une double image à la restitution d’une paire d’images polarisées.  Le relief offre réellement une immersion plus grande dans le film et montre les avancées techniques dans les domaines optiques. Dans un avenir proche, peut-être serons-nous capable de restituer des images de telle sorte que nos yeux eux-mêmes ne sauront faire la différence.

Pour aller plus loin

• Polarisation optique (fr), article wikipedia qui décrit la polarisation en détail
• sciences.blog.lemonde.fr (fr), article qui explique une autre technique de relief
• Dolby 3D Digital Cinema (en), site de la société Dolby qui propose un système de relief