Stéréoscopie

Stéréoscope de Holmes

Stéréoscope de poche

La stéréoscopie (du grec stéréo- : solide, -scope : vision) est l'ensemble des techniques mises en œuvre pour reproduire une perception du relief à partir de deux images planes. Elle est née pratiquement en même temps que la photographie, bien que des traces plus anciennes dans des interrogations et expérimentations picturales soient trouvées. Ainsi, la collection Jean-Baptiste Wicar du Palais des beaux-arts de Lille conserve deux dessins distinguant les visions d'un même sujet pour chaque œil, exécutés par Jacopo Chimenti, peintre de l'école florentine (1554 - 1640). Elle se base sur le fait que la perception humaine du relief se forme dans le cerveau lorsqu'il reconstitue une seule image à partir de la perception des deux images planes et différentes provenant de chaque œil.

Il existe, pour réaliser ces images, aussi bien que pour les observer, une grande variété de moyens, à la description desquels plusieurs centaines de livres ont été consacrés.

Physiologie

La vision stéréoscopique est due, en grande partie, aux neurones binoculaires situés dans le cortex cérébral au niveau des zones spécifiques et primaires du traitement de la vision (Aire V1). Ces neurones binoculaires sont les seuls neurones à recevoir l'influx nerveux de deux neurones homonymes de la rétine via la chaîne neuronale. Les images gauche et droite du même objet, captées en même temps par les deux rétines, sont acheminées au cortex visuel par les nerfs optiques qui se croisent dans le chiasma optique, ce qui fait qu'elles sont présentes dans des cellules voisines du cortex visuel. David Hubel, prix Nobel de médecine, fait aussi remarquer que les cellules des parties gauche et droite du cortex visuel communiquent aussi par le corps calleux, ce qui contribue au mécanisme de la fusion binoculaire.

Cette double information permet par des mécanismes complexes faisant intervenir d'autres zones du cerveau la perception de l'angle entre l'information visuelle captée par des photorécepteurs d'un œil et ses homologues de l'autre œil permettant de percevoir les reliefs et la distance. De ce fait, les personnes souffrant de strabisme (mauvaise adaptation des zones de photorécepteurs rétiniens homologues) ou les personnes souffrant d'anopsie sur un œil ont une vision très altérée du relief et de la profondeur. La vision stéréoscopique est normalement très précise (couramment est apprécié un écart en profondeur de dix centimètres à une distance de dix mètres), de précision inversement proportionnelle à la distance, et limitée en amplitude : on voit difficilement en relief un objet très rapproché ou un objet très éloigné. La vision stéréoscopique est troublée, sinon empêchée, par divers défauts des images: décalages verticaux, contradictions du relief, excès ou manque de parallaxe X, présence de parallaxe Y, « images fantômes » ou vision atténuée de la vue droite par l'œil gauche et réciproquement, dissymétrie de la luminosité...

Observation en relief

Portrait stéréoscopique de l'écrivain anglais Wilkie Collins (1824-1889), pris en 1874 par Napoleon Sarony (1821-1896)

L'observation en relief est naturelle, c'est l'image « plate » qui demande un effort d'interprétation, car elle n'est qu'une projection perspective de l'espace dans un plan. L'image en relief restitue chaque plan à sa place dans l'espace, les dimensions et la forme de chaque objet, sous réserve qu'il n'y ait pas d'effet de maquette ni de distorsion en profondeur.

Les images trop complexes, trop enchevêtrées, sont beaucoup plus lisibles si il est observé en relief : par exemple une cavité dans un objet apparaît effectivement comme creuse ; au contraire des aspérités n'apparaissent pas comme telles en photo « plate ». La présentation en relief procure une sensation de présence qui n'existe pas autrement, car le spectateur voit la scène comme s'il y était, surtout en projection dans une salle assez obscure pour que seule la photo en relief soit visible.

Il peut être vu en relief ce qui ne peut être vu naturellement ainsi : des montagnes ou des formations nuageuses sont trop éloignées pour qu'on^{[Qui ?]} en perçoive les plans successifs, mais si elles sont photographiées en relief depuis deux points assez écartés, on^{[Qui ?]} les voit, certes de taille réduite, mais avec tout leur relief et leurs formes réelles ; des microcristaux, des insectes ou des fleurs, trop petits pour être observés à l'œil nu, pris de deux points de vue assez rapprochés, apparaissent très agrandis avec leurs formes réelles et leur profondeur.

Réalisation

Quatre jeunes filles aux Chrysanthèmes, Yokohama, vers 1900. Autre vue de la même série...

Par images, sont représentés : photographies, dessins, images de synthèse ou images réalisées par tout autre moyen. Il s'agit de prendre deux vues de la même scène, à partir de deux points de vue côte à côte.

Deux temps

C'est la méthode dite du "cha-cha". En deux temps, en déplaçant l'appareil : dans ce cas, il est indispensable que rien n'ait bougé entre les deux prises de vues, par exemple personnages, animaux, véhicules, feuilles des arbres, vagues, nuages ou leurs ombres sous l'effet du vent ; il faut aussi que les deux prises de vues visent dans la même direction, que l'appareil n'ait pas avancé, n'ait pas été déplacé en hauteur ni n'ait tourné sur lui-même. Il existe dans le commerce des kits pour appareils photos comprenant un rail afin de bien stabiliser l'appareil photo. Ces derniers permettent aussi d'agir plus sûrement et rapidement qu'à main levée.

Déclenchement simultané

Deux appareils identiques peuvent être déclenchées, appareils à film ou appareils numériques ; les appareils sont fixés sur un support rigide et alignés, les objectifs étant parallèles et pointant vers la même direction sans convergence. Trois techniques existent : La "digitale", littéralement, "avec les doigts", où la prise de vue de chacun des deux appareils est déclenchée le plus simultannément possible ; la mécanique, avec une simultanéïté plus précise, assurée par la mécanique d'un jeu de pistons. Ces deux méthodes étant valable pour le numérique et pour le film. La troisième méthode est électronique/électrique. La plus connue/pratique/accessible étant de relier deux appareil par une télécommande filiaire ou aérienne avec les ports USB, électriques ou récepteurs infra-rouges ( et autres radios, exemple le bluetooth) d'appareils numériques.

Les appareils à films disposant d'un déclenchement par télécommande filiaire conviennent. Dans certains cas, les deux appareils fonctionnent sans connaissance l'un de l'autre ( ou des autres ), dans d'autres, ils sont coordonnés. Plusieurs ateliers de bricolage professionnel proposent des couplages de deux ou plus appareils numériques, argentiques, bien fixés entre eux et synchronisés.

Avec un appareil stéréoscopique

Appareil stéréo des années 1930.

Un appareil spécial à deux objectifs peut être utilisé : soit un appareil ancien, avec les contraintes habituelles des appareils anciens (absence de cellule et d’avancement automatique du film), soit avec un appareil moderne, dont il existe des fabrications en petit et moyen format. Depuis fin 2009, le contructeur Fujifilm propose le premier appareil stéréo numérique grand public : le Finepix REAL 3D W1. L'appareil comporte deux capteurs distants d'un espace interoculaire moyen. Simultanément, chaque capteur prend une photo, et un seul fichier de type .MPO, contenant les deux photos, sera sauvegardé.

Et en 2010 sort son successeur, le Fujifilm Finepix REAL 3D W3 qui permet des enregistrements vidéo stéréoscopique en HD. Il offre également toute une gamme d'accessoires permettant d'effectuer des prises de vues stéréoscopiques en mode macro photo stéréo (base de 25 mm) ou en mode télé photo stéréo (base 225 mm), soit un rapport de 1/3 ou 3/1 par rapport à la base de prise de vue de 75 mm de l'appareil. En 2011, plus précisément le 26 février au japon, Nintendo sort la Nintendo 3DS, un appareil de jeu permettant d'afficher de images en 3D auto-stéréoscopique qui permet également de prendre et de visualiser (directement sur la console) des photos en 3D sous la forme d'images .MPO.

Visualisation : Avec un logiciel comme StereoPhotoMaker, il est ensuite possible d'afficher la photo en relief selon différentes techniques comme l'anaglyphe, l'entrelacé (pour écrans polarisés) ou la vision croisée. Les utilisateurs de Mac peuvent aussi visualiser les images au format .MPO avec une application telle que ShowMe3D qui permet la visualisation d'images en 3D avec les lunettes rouge/bleue (anaglyphe), les lunettes stéréoscopiques gauche/droite (vision croisée) et sans lunette (en faisant défiler les images droite et gauche successivement à une fréquence rapide).

Applications particulières

Il existe encore d'autres méthodes, chacune adaptée à des cas particuliers, notamment pour les prises de vues en « macrostéréoscopie », c'est-à-dire avec une « base » étroite adaptée pour photographier de très petits objets : double diaphragme avec des miroirs, diviseurs d'images (attention aux « déformations en trapèze »), filtres de couleurs côte à côte devant l'objectif, miroirs semi-transparents, etc.

Des images stéréoscopiques peuvent facilement être extraites de toutes sortes modèles numériques professionnels tridimensionnels, en choisissant deux points de vue écartés par exemple d’un à deux dixièmes de la distance du premier plan, s’il s’agit de les présenter sur un écran d’ordinateur, mais pas plus d’un trentième s’il s’agit de les présenter en projection à un large auditoire.

Observation

Vue anaglyphique

Stéréoscope à miroirs pour vues aériennes

Ces images peuvent être observées en diapositives, tirées sur papier, sur l'écran d'ordinateur, etc., par différentes méthodes.

Avec un instrument d'optique appelé stéréoscope. Il en existe plusieurs variétés : à deux lentilles, à deux miroirs, à un seul miroir, à miroir semi-transparent, etc. En séparant les vues gauche et droite par les couleurs (anaglyphes) : certes ce procédé dégrade les couleurs et exclut la présence d'objets aux couleurs vives trop voisines de celles des filtres colorés, mais c'est la seule manière connue pour imprimer des images de grand format facilement visibles en relief par des personnes non entraînées à la vision libre. Des systèmes plus modernes, comme les filtres Infitec, utilisent le même principe de filtrage par couleur que les lunettes anaglyphes avec une dégradation des couleurs moins importante. Ce système Infitec découpe le spectre des couleurs en plusieurs bandes et non en 2 comme le système anaglyphe^[1]. Le système Infitec est maintenant exploité commercialement par Dolby^[2].

Images à réseaux

Images imbriquées en bandes verticales : réseaux « lignés » ou « lenticulaires », visibles en relief sans aucun instrument (procédé auto-stéréoscopique). Écran auto stéréoscopique : Moniteur jouant sur l'orientation de pixels (rangés en réseaux linéaires) afin d'envoyer chaque image sur l'œil lui correspondant et ainsi produire l'effet stéréoscopique.

Image polarisée

Projection en lumière polarisée, de loin la méthode la plus facile, efficace et spectaculaire, qui certes demande des moyens aux organisateurs de ces projections (écran argentique, deux projecteurs avec filtres polarisants), mais qui n'imposent aux spectateurs que de porter des lunettes polarisées légères, passives, peu couteuses et peu contraignantes, les couleurs ne sont pas du tout détériorées. Le système Real D)) ne nécessitant plus qu'un projecteur numerique qui alterne sa polarisation grâce à un disque a rendu ce type de projection bien moins contraignantes.

Écran à diffusion polarisée, même principe et même qualité d'image que la projection en lumière polarisée au détail près que c'est un moniteur qui diffuse simultanément les deux images, des lunettes à verres polarisées (ou lunettes polarisées) sont donc aussi nécessaires. Il existe deux types d'écran polarisé : les écrans à polarisation horizontale et les écrans à polarisation verticale. Dans les deux cas la dalle du moniteur est revêtue d'une filtre qui polarise une ligne de pixel sur deux. Ces lignes polarisés sont filtrés par les verres des lunettes. Ce procédé est utilisé par quelques fabricants, dont Zalman depuis 2008 sur les moniteurs Trimon.

Décalage temporel

Le décalage temporel nécessite l'usage de lunettes alternantes à cristaux liquides appelées Shutter glasses (en anglais : shutters). Ce procédé peut-être utilisé avec des moniteurs, des télévisions ou des projecteurs. Le procédé consiste à alterner les deux photos divergentes sur un écran de manière synchrone à la transparence de chacun des verres de lunette, en ne laissant qu'un infime délai entre les changements d'image. Ce changement est de moins en moins perceptible à l'œil nu (persistance rétinienne) avec des fréquences élevées d'où l'impression de regarder les deux images en même temps, ainsi que la création de stéréoscopie.

Certaines sociétés ont tenté de commercialiser des solutions pour voir des films vidéo 3D séquentiels (l'image gauche affiché par le premier champ et l'image droite par le second champ) sur téléviseur cathodique. Mais la fréquence de 60 Hz en zone NTSC et pire de 50 Hz en zone PAL rendait l'expérience désagréable. Dès 1999, NVidia avait commercialisé pour ses cartes tnt et tnt2 avec les lunettes ELSA Revelator avec un taux de rafraîchissement allant de 50 à 140 Hz en fonction des capacités des moniteurs CRT de l'époque. Mais les taux de rafraîchissement encore trop faibles (les plus courants permettaient du 1024*768 en 85 Hz progressif et du 1280*1024 en 70 Hz progressif) des moniteurs grand public rendaient l'expérience visuelle encore fatiguante sur la durée bien que très efficace. Depuis 2007, Nvidia commercialise un kit 3D Vision adapté aux écrans LCD pouvant produire des images ayant des fréquences de 120 Hz (ce qui fait 60 Hz par œil). L'affichage des images droites et gauches est synchronisé avec les lunettes à l'aide d'un émetteur infrarouge.

Autres méthodes

Images réelles projetées dans l'espace, photostéréosynthèse, holographie, etc.

Vision libre

Sept anneaux, à titre de démonstration de la possibilité de voir en stéréoscopie sans outil (vision libre).

En « vision libre », parallèle ou croisée, pour ceux qui le peuvent, soit spontanément, soit après des exercices oculaires. Pour certains, cette vision libre n'est possible qu'à une distance importante, d'où l'image apparaît quelque peu étirée. L’aptitude à la vision libre est très variable selon les personnes : les uns (une minorité) y arrivent facilement, soit en parallèle, soit en croisé, même pour quelques-uns dans les deux sens ; d’autres y arrivent après un entraînement ; d’autres enfin pas du tout. La vision croisée est parfois plus accessible : l'œil gauche regarde la figure droite et l'œil droit regarde la figure gauche. Pour s'aider, l'œil gauche peut être fermé puis la main droite placée à quelques centimètres de son œil droit, de façon à lui cacher la figure droite. Puis l'œil droit se ferme et la main gauche est placée à quelques centimètres de l'œil gauche de façon à lui cacher la figure gauche. Alors les deux yeux sont ouverts, chacun d'eux ne voyant qu'une figure. Loucher quelque part dans l'intervalle entre les deux mains pour faire superposer les deux figures en une figure unique.

Avec un peu d'entraînement, du moins pour la plupart des personnes sensibilisées au phénomène, le cerveau finit au bout de quelques secondes par accommoder la vision sur une figure nette en relief, comme dans l'exemple ci-dessous :

D'autres animations stéréoscopiques sont accessibles en cliquant sur les liens suivants :

• Animation stéréoscopique croisée d'un ruban de Möbius :
• Animation stéréoscopique parallèle du même ruban :
• Les deux animations regroupées sur une même animation

Profondeur, géométrie d'une image stéréoscopique

Sur une image ou une animation stéréoscopique, deux effets distincts sont retrouvés : les effet de jaillissement et les effets de profondeur qui sont respectivement caractérisés par des objet situés sur des plans stéréoscopiques jaillissants ou profonds. Ces plans peuvent être placé sur un axe perpendiculaire au plan-écran, ce dernier étant son point d'origine. Sur cet axe les plans profond sont caractérisés par des distances positivés et les plans jaillissants par des distances négatives.

Plan-écran

De manière imagée, le plan-écran est distingué par rapport aux autres de par le fait que lest objet situé sur ce plan ne seront ni jaillissants ni profonds. Si l'écran stéréoscopique est considéré comme une fenêtre, le plan écran en est la vitre. Ce plan est la limite entre les plans jaillissant et les plan profond. En règle général, dans une animation stéréoscopique, les objets retenant le plus l'attention des spectateurs sont placés sur le plan-écran pour une raison très simple, un spectateur ayant un regard fixé sur le plan-écran sera moins assujetti au douleur provoquer par le visionnage d'effet de jaillissement ou de profondeur. Lors de la capture d'une image stéréoscopique, si les deux objectifs ont des axes de vision convergents le plan-écran sera déterminé par le plan sécant à cette convergence. Dans le cas d'objectifs placés selon des axes de vison parallèles, la distance séparant le plan écran des objectif sera infini (il est parfois question de plan horizon), ainsi toute la scène sera virtuellement devant l'écran lors du visionnage. Néanmoins il est aussi possible de réajuste la position du plan-écran en réglant la superpositions des deux images.

Plans jaillissants et plans profonds

Les plans jaillissants sont l'ensemble des plans occupant une position virtuelle négative sur l'axe des distances virtuelles. Autrement dit ces plans sont virtuellement devant le plan-écran et donc lors du visionnage les objets placés sur des plans jaillissants seront virtuellement devant l'écran stéréoscopique. C'est de là que vient l'effet de jaillissement si spectaculaire. Le jaillissement est définit par l’écart horizontal négatif, plus celui ci est grand plus l'objet concerné sera jaillissant.

Les plans profonds sont tout à l'inverse des plans jaillissants, ils déterminent l'ensemble des plans virtuellement situé derrière le plan écran, c'est-à-dire les plans pourvus d'une abscisse positive sur l'axe des distances virtuelles. Et contrairement au jaillissement, l'intensité de la profondeur est définie par l'écart horizontale positif entre chaque image.

Sources de fatigue visuelle

• Vues gauche et droite trop disparates (ex. : couleurs trop vives en anaglyphes).
• Décalages verticaux, notamment par défaut d'alignement lors de la prise de vues, rotation ou déformations en trapèze dues par exemple à l'utilisation de certains « diviseurs d'images » ou excès de convergence des axes optiques.
• Défauts de synchronisme, « parallaxe temporelle » par laquelle un objet qui a bougé vers le côté n'est plus vu à sa distance correcte.
• Excès de profondeur de relief : il convient de ne pas dépasser une limite typique d'écart extrême de parallaxe qui est en général estimée au trentième de la distance d'observation.

Les effets de cet excès de profondeur peuvent se manifester de trois manières différentes, à peu près indépendantes: - d'une part par une trop forte dissociation entre l'accommodation et la convergence des yeux: les limites couramment admises pour cette dissociation sont de l'ordre de grandeur d'une demie dioptrie (ou de deux degrés), mais une dissociation considérablement plus forte, jusqu'à dix degrés, est à la portée de ceux qui peuvent ainsi voir en "vision libre"; - d'autre part par un excès de variation de parallaxe angulaire entre les premiers plans et les arrière-plans: les limites couramment admises pour l'amplitude de cette plage de variation sont d'environ deux degrés aussi; - enfin par une obligation, pour l'observateur, de faire diverger ses axes oculaires.

• Déformations de l'image en grandissement ou en étirement, surtout si ces déformations sont variables d'un objet à l'autre.
• Contradictions du relief, en particulier du fait d'un mauvais placement de la « fenêtre »: si un objet est coupé par un bord latéral de la fenêtre (définie comme l'image stéréoscopique des contours extérieurs des vues gauche et droite) mais se trouve, du fait de sa parallaxe, en avant de cette fenêtre, cela constitue une contradiction entre indices du relief.

Ces écueils peuvent être évités, notamment par un travail dit de « montage », aussi bien dans les cas de diapositives, que de tirages sur papier ou de photos numériques.

Organisations

La stéréoscopie, qu'elle soit produite par image statique (photo) ou animée (vidéo), intéresse des milliers d’amateurs à travers le monde, dont la plupart se regroupent en associations, notamment l’Union Internationale de Stéréoscopie et les clubs nationaux ou locaux qui lui sont affiliés (en France: le Stéréo-Club Français). Ces associations comptent aussi parmi leurs membres de nombreux professionnels.

La stéréoscopie intéresse également les professionnels, dans des domaines variés (vidéo, géographie, biologie, chimie, architecture, imagerie médicale, « CAO », ainsi qu'évidemment en photogrammétrie). Il n’existe pas d’organisation qui regroupe ces utilisateurs de toutes ces professions. Par contre, l’essentiel des connaissances accumulées par ces professionnels se retrouve dans les comptes rendus des congrès annuels « Stereoscopic Displays and Applications ».

Publications

La plupart des informations sur les principes de l'image stéréoscopique, les méthodes pratiques de réalisation et de présentation des images en relief ont été publiées dans des revues d'associations : Stéréo-Club Français (plus de 900 numéros depuis 1904) ; en anglais : journal trimestriel de la Stereoscopic Society de Londres, revue bimestrielle américaine Stereo World, revue trimestrielle Stereoscopy de l'International Stereoscopic Union.

Plus de 500 livres ont déjà été écrits sur le sujet (bibliographie établie et tenue à jour par Sam Smith). Le premier en date est celui d'Antoine Claudet, en anglais (1853), le plus célèbre The Stereoscope, par David Brewster (1856), qui est en téléchargement libre, le plus pratique pour l'amateur The World of 3-D, par Jacopus Ferwerda (1986).

Notes et références

Annexes

Articles connexes

• Anaglyphe
• Appareil stéréoscopique
• Carte stéréoscopique
• Image stéréoscopique
• Projection en relief stéréoscopique
• Stéréo-Club Français
• Stéréoscope
• Stéréogramme (ou « autostéréogramme »)
• Télévision en 3D
• Cinéma en relief
• Monoscopie

Bibliographie

• Bulletin mensuel du Stéréo-Club Français, depuis 1904
• Hal Morgan et Dan Symmes, En relief, Wonderland Productions, Paris, 1984 (ISBN 2905067004)
• Louis Hurault, Problèmes techniques de la photographie stéréoscopique, Institut Géographique National, 1964
• Louis Peretz, L'Image en 3 dimensions, Presses du CNRS, 1990
• Olivier Cahen, L'Image en relief : Du film au numérique, éd. Mines ParisTech et Presses internationales Polytechnique (Montréal), mars 2011 (ISBN 9782911256424)

Filmographie

• 3D Odyssey, documentaire en relief de Philippe Nicolet consacré à l'histoire de la stéréoscopie, 2007.

Liens externes

• Foto - le portail de la photogrammétrie

• Portail de la photographie