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Le cinéma 3D sur votre paillasse de TP - Réalisation pratique (1/2)

Romain Albert

ENS de Lyon

Delphine Chareyron

Article paru dans le « Journal de physique et de chimie des étudiants » du département Sciences de la Matière de l'ENS de Lyon, février 2016.

12/01/2017

Résumé

Les méthodes de cinéma stéréoscopique s’appuyant sur la polarisation de la lumière ne sont pas nouvelles mais leur démocratisation est récente. Nous proposons ici une méthode permettant de réaliser une projection 3d à l’aide de matériel courant d’optique. Nous expliquerons dans l'article suivant son fonctionnement en s’appuyant sur le programme de CPGE.


1. Introduction

Le cinéma en trois dimensions n’est pas quelque chose de nouveau. Le premier « film » 3d tourné remonte à 1915 [1], il ne possède pas de nom et se compose d’un ensemble de tests. Il a été projeté près de New York. Il existe de très nombreuses manières de projeter un film 3d mais le principe est toujours le même : il faut que chaque œil reçoive une image différente. Pour ce faire, le film 3d est réalisé en utilisant deux caméras dont les points de prise de vue sont séparés par la distance moyenne entre nos deux yeux. Ainsi en envoyant l’image captée par la caméra droite sur l’œil droit et l’image gauche sur l’œil gauche, notre cerveau va reconstituer la profondeur comme c’est le cas habituellement. Pour réaliser ceci, il existe principalement trois méthodes ayant recourt à des lunettes pour le spectateur. Des méthodes n’utilisant pas de lunettes existent, basées sur l'holographie ou encore utilisant un réseau de microlentilles, mais restent encore au stade de prototype.

Historiquement, le premier procédé utilisé est l’anaglyphe (datant de 1853 [2] ) qui se base sur les couleurs complémentaires et la synthèse soustractive (Figure 1). On superpose sur l’écran l’image droite colorée en cyan et l’image gauche colorée en rouge. Le spectateur dispose, lui, d’une paire de lunette où le verre droit est coloré en rouge et le verre gauche en cyan. Chaque filtre absorbant sa propre couleur et laissant traverser la couleur complémentaire, chaque œil reçoit l’image qui lui est destinée. On reproduit ainsi la vision binoculaire de l’homme et l’effet stéréoscopique fonctionne. Le problème de cette technique est la dégradation des couleurs liée à son principe même mais elle présente l’avantage d’utiliser des lunettes très bon marché.

Figure 1 : Principe de la synthèse soustractive. Un filtre rouge va absorber ces deux couleurs complémentaires : le bleu et le vert, et laissera ainsi passer le cyan. Tandis qu’un filtre cyan absorbe le magenta et le jaune et laisse ainsi passer le rouge.

La seconde méthode exploite les propriétés des cristaux liquides. Les lunettes sont constituées de deux verres pouvant être rendus opaques sous l’effet d’une électronique de contrôle (les lunettes sont actives). Ces verres utilisent la même technique que les écrans LCD, technique qui sera expliquée dans la suite. Les images correspondant à chacun des yeux sont projetées successivement, les lunettes obturent alternativement l’œil qui n’est pas concerné. Cette méthode possède quelques problèmes qui font qu’elle est moins utilisée : les lunettes sont coûteuses et fragiles à cause de l’électronique de commande et des verres à cristaux liquides. De la même manière, ces lunettes possèdent une batterie limitant à la fois leur autonomie et leur durée de vie.

La dernière méthode exploite la polarisation de la lumière et c’est celle-ci qui sera détaillée dans la suite. Nous proposerons tous d’abord une méthode expérimentale permettant de réaliser relativement facilement un cinéma stéréoscopique en salle de travaux pratiques. Nous apporterons ensuite les éléments théoriques permettant de comprendre le fonctionnement du dispositif en s’appuyant sur le programme des classes préparatoires (nouveau programme 2013).

2. Réalisation expérimentale

Le but de cette partie est d’expliquer pas à pas la réalisation du montage expérimental permettant d’obtenir un effet stéréoscopique à partir de deux vidéoprojecteurs. Ce réglage est divisé en deux grandes étapes : l’alignement des vidéoprojecteurs et la production d’états particuliers de polarisation de la lumière qui seront utilisés pour diriger l’image d’un vidéoprojecteur vers l’œil correspondant. Les réglages sont parfois rendus un peu compliqués par l’utilisation d’un type de vidéoprojecteur tri-LCD particulier. Les vidéoprojecteurs à simple LCD ou DMD (utilisés dans les salles commerciales de cinéma) sont légèrement plus simple d’utilisation.

2.1 Réglage des deux vidéoprojecteurs

L’alignement et l’ajustement du zoom des deux vidéoprojecteurs sont compliqués, cette étape doit être faite avec beaucoup de soin sinon l’effet stéréoscopique ne pourra pas avoir lieu. Par ailleurs, toute modification ultérieure de la position de l’écran ou des vidéoprojecteurs détruirait à coup sûr ce réglage. De plus, il faut utiliser idéalement des vidéoprojecteurs identiques pour s’assurer d’avoir la même luminosité ainsi que la même résolution.

La première étape consiste à relier les vidéoprojecteurs à l’ordinateur, deux possibilités s’offrent à nous :

  • Utiliser un ordinateur avec deux sorties vidéo : il faut faire attention dans la mesure où les deux sorties vidéos peuvent être traitées de manières différentes : une en sortie principale et une en secondaire. Ceci peut entraîner des complications, en effet l’espace utile peut être différent à cause de la présence de la barre des tâches par exemple. De plus, il est plus compliqué d’étendre l’image sur ceux-ci. Enfin, si les deux sorties vidéos ne sont pas sur la même carte graphique, il y a des risques de latences différentes entre les deux images projetées, ce qui peut détruire l’effet stéréoscopique.
  • Utiliser un boîtier de division d’image : c’est la méthode que nous utiliserons. Nous exploitons un boîtier Matrox (DualHead2Go Digital Edition [3] ) qui prend une image en entrée, la divise horizontalement en deux en les renvoyant sur ces deux sorties. C’est en reliant les vidéoprojecteurs à ce dispositif que l’on choisit quelle image (droite ou gauche) l’appareil va projeter. Un schéma du fonctionnement est proposé sur la Figure 2. L’utilité des polariseurs et lames quart d’onde sera expliquée dans la prochaine partie.

Figure 2 : Vue schématique de l’ensemble du dispositif expérimental.

Passons maintenant à la réalisation expérimentale concrète :

  1. Placer les vidéoprojecteurs sur leur potence respective tel que décrit sur la Figure 3. Il est important d’essayer de superposer verticalement les objectifs de projection des deux vidéoprojecteurs. En effet, ils ne peuvent pas rectifier les erreurs de parallaxe selon leur axes Oy, il faut donc qu’ils aient la même erreur.
  2. Placer l’écran à la distance voulue. Faire le réglage de netteté des vidéoprojecteurs. Une distance de 2 à 3 mètres entre l’écran et le vidéoprojecteur est requise pour rendre possible cette opération. Par ailleurs l’écran utilisé doit être conducteur pour éviter de perdre la polarisation lors de la réflexion, une plaque métallique dépolie fonctionne.
  3. Faire l’ensemble des branchements électriques nécessaires. Régler la résolution de l’ordinateur pour obtenir une taille double de la résolution native des vidéoprojecteurs. Le plus simple est de démarrer Windows avec le dispositif branché.
  4. En cas d’utilisation de deux vidéoprojecteurs différents, ajuster leur luminosité sur une image blanche.
  5. Projeter l’image de deux grilles identiques accolées horizontalement.
  6. Régler le zoom des vidéoprojecteurs pour que les deux images aient approximativement la même taille.
  7. En agissant sur les vis de réglage, faire en sorte d’avoir deux images aussi parallèles que possible. On peut également agir sur l’horizontalité des potences pour ce réglage.
  8. Superposer les deux grilles sur l’écran. Idéalement les deux images doivent être superposées sur l’ensemble de l’écran, mais un réglage à quelques pixels près dans la partie centrale peut suffire.
  9. Ne plus toucher les vidéoprojecteurs dans la suite !

Figure 3 : Dispositif expérimental visant à régler l’alignement des deux vidéoprojecteurs. Ils sont superposés sur deux potences différentes pour des raisons de poids, ces deux potences étant reliées par des tiges pour stabiliser le système.

2.2 Production d'ondes polarisées circulairement

Une fois ce réglage fait, il faut s’assurer que chaque œil reçoit son image propre. Nous allons utiliser pour ceci des états de polarisation particulière de la lumière pour conserver l’information de l’œil auquel elle est destinée. Ces états sont des ondes électromagnétiques polarisées circulairement qui peuvent être produits à partir d’une onde polarisée rectilignement traversant ensuite une lame quart d’onde. Ces ondes sont analysées par les lunettes de cinéma 3d usuellement utilisées. Les éléments théoriques pour expliquer le fonctionnement de ce dispositif sont disponible dans les Parties 3.3 et 3.4.

La première étape est d’obtenir une onde polarisée rectilignement. En fonction du vidéoprojecteur utilisé, la méthode diffère (les raisons techniques sont présentées Partie 3.2) :

  • Pour un vidéoprojecteur LCD standard, il n’y a rien à faire, l’onde possède naturellement une polarisation rectiligne en sortie.
  • Pour un vidéoprojecteur DMD/DLP, il suffit de placer un polariseur dichroïque standard.
  • Les vidéoprojecteurs tri-LCD, employés ici, pourraient être aussi simples que les vidéoprojecteurs LCD standards mais les différentes couleurs possèdent des directions de polarisations différentes (ce qui n’est pas le cas de l’ensemble des vidéoprojecteurs tri-LCD). Il est donc absolument nécessaire d’observer si les couleurs changent en présence d’un polariseur dichroïque ou si seule l’intensité varie. Par exemple les polarisations des couleurs primaires sont présentées sur la Figure 4.

Figure 4 : Direction de polarisation en fonction de la couleur en sortie du vidéoprojecteur tri-LCd utilisé.

Pour réaliser les états de polarisation correspondant à chaque œil, on commence par celui attribué à l’œil gauche. Il suffira d’inverser ensuite l’ensemble des indications droite-gauche. À la fin de cette étape, le montage ressemble à celui présenté en Figure 5 pour chacun des vidéoprojecteurs.

  1. Envoyer une image dont la partie gauche est blanche et la partie droite est noire.
  2. Placer un polariseur dichroïque en sortie du vidéoprojecteur sur une potence différente de celle des vidéoprojecteurs. Tourner le polariseur jusqu’à ce que l’image soit la plus blanche possible. Comme on peut le voir à la Figure 4, la position optimale est normalement alignée sur la polarisation de la couleur verte. Il faut théoriquement atténuer la couleur verte en réglant le vidéoprojecteur mais la balance légèrement faussée des couleurs n’est pas très gênante en pratique.
  3. Chausser les lunettes de cinéma 3d passives, ce sont celles que l’on utilise habituellement dans les cinémas. La suite des réglages se fait plus simplement en regardant l’écran.
  4. Envoyer une image dont la partie droite est blanche et la partie gauche est noire.
  5. Ajouter une lame quart d’onde, idéalement optimisée pour travailler dans le vert (vers 500 − 550 nm). En tournant la lame, faire en sorte de minimiser l’intensité lumineuse arrivant sur l’œil droit. Il ne faut pas s’attendre à une extinction totale mais normalement l’intensité est très fortement atténuée.

Figure 5 : Schéma du dispositif de polarisation. Les croix représentent les noix de serrage. Il est à noter que les deux ensembles polariseur-lame quart d’onde peuvent être placés sur la même potence.

2.3 Projection du film 3d

Pour que ce dispositif fonctionne, il n’y a plus qu’à lire en plein écran (important pour l’alignement) un film où les images gauche et droite ont été accolées et à se placer orthogonalement à l’écran pour que la polarisation circulaire ne soit pas dégradée à la réflexion. Le film 3d utilisé est un film de démonstration pour Blender « Elephants Dream » [4] qui est libre et ne posera donc pas de problème de droits d’auteur.

Il ne vous reste donc plus qu’à admirer le spectacle, ou à lire la partie expliquant la théorie sous-jacente à cette technique d’imagerie 3d.

Références:

  • [1] Stereoscopic Pictures Screened, L. Denig. Moving Picture World, juin 1915, P. 2072.
  • [2] Zwei neue stereoskopische Methoden, W. Rollmann, Annalen der Physik 166, 1853, p.186-187.
  • [3] Boîtier Matrox de division d’image, http://www.matrox.com/graphics/en/products/gxm/.
  • [4]Film de démonstration : Elephant Dream, https://orange.blender.org/blog/elephants-dream-in-stereoscopic-3d/
  • [5] Physique Tout-en-un 2e année PC-PSI : Cours et exercices corrigés, A.E. Badel et al., J'intègre (Paris). Dunod, 2004. ISBN : 9782100483846.
  • [6] Optique ondulatoire : 2e année, MP-MP*, PC-PC*, PSI-PSI*, PT-PT*, J.M. Brébec. H prépa Hachette supérieur, 2004. ISBN : 9782011456373.
  • [7] Optique, E. Hecht et al., Pearson, 2005. ISBN : 9782744070631.
  • [8] Télévision haute définition (TVHD) - Affichage. Qualité - Affichage HD, F. Mahieu. Techniques de l'ingénieur TE5684, fév. 2011.
  • [9] Schéma de fonctionnement d’un pixel LCD dans l’état passant. Disponible sur https://commons.wikimedia.org/wiki/File:LiquidCrystalDisplay-field_off.jpg
  • [10] Ondes lumineuses : Propagation, optique de Fourier, cohérence, J.R. Champeau, R. Carpentier et I. Lorgeré. LMD Physique. De Boeck Supérieur, 2009, p. 709-790. ISBN : 9782804158897.