Les écrans 3D! Un principe, 4 technologies

Introduction :

Si la vue humaine est tridimensionnelle, c'est parce que sauf erreur de dame Nature, nous avons tous deux yeux et un cerveau. L'espacement des deux yeux (environ 7 cm) permet de capter ce qui s'offre à la vue selon deux perspectives différentes (ce qu'on appelle la parallaxe). En fixant un point précis (un pouce tendu devant soi par exemple) que vous regardez alternativement avec l'œil gauche puis l'œil droit, vous percevrez clairement cette variation, d'autant plus grande que l'objet est proche. Et c'est le cerveau qui effectue l'assemblage et interprète ainsi la profondeur des objets.

Quand on regarde un écran, même s'il s'agit d'un jeux en 3D polygonale, les deux yeux ne voient qu'une surface plane composée de pixels alignés sur deux dimensions, la largeur et la hauteur de la dalle. Pour reconstruire de la 3D stéréoscopique, il faut donc faire en sorte que chaque œil reçoive une image différente, ou plutôt la même image mais avec un décalage imitant la variation de perspective que l'écartement des yeux génère. Alors comment fonctionne l'affichage stéréoscopique ?

Définition :

L’écran en relief, ou écran en 3D, est un terme commercial pour les techniques de stéréoscopie mises en œuvre pour diffuser des images procurant des effets de profondeur et de jaillissement.

Depuis les années 2000, les recherches sur la télévision stéréoscopique et la télévision haute définition sont menées conjointement.

HISTORIQUE :

L’invention de l’imagerie au relief stéréoscopique remonte aux débuts de la photographie.

·     En 1838, Charles Wheatstone a inventé le premier stéréoscope. Cet appareil optique binoculaire est une visionneuse permettant de voir des images fixes en relief.

·     En 1855, La première caméra stéréoscopique appelé le Kinematoscope, est créé. Elle permet également le visionnage en relief.

·     Un téléviseur stéréoscopique est présenté pour la première fois, le 10 août 1928, par John Logie Baird dans les locaux de son entreprise de Londres1.

·     Au cours de sa carrière, Baird met au point plusieurs systèmes de télévision 3D en exploitant des systèmes électromécaniques, adaptés aux écrans cathodiques.

·     En 1935, le premier long métrage en couleurs destiné au cinéma en 3 dimensions est réalisé.

·     Dès le milieu des années 1990, les jeux vidéo commencent à exploiter la stéréoscopie pour renforcer l'immersion et les effets spéciaux. A titre d’exemple on peut citer la console    Virtual Boy de Nintendo3.

virtual boy de Nintendo3

virtual boy de Nintendo3

Classification des écrans 3D

1- La 3D anaglyphe

C'est la plus ancienne technologie (fin XIXe) de virtualisation 3D.

Le principe : prendre deux images avec un léger décalage de point de vue, extraire de l'image de gauche la composante rouge et de l'image de droite les couches bleues et vertes (qui font le cyan, couleur complémentaire du rouge) et réassembler les deux scènes avec le décalage approprié en fonction de l'effet souhaité. Plus le décalage est grand, plus l'effet 3D est important, si le cyan déborde à gauche le sujet paraitra loin, s'il déborde à droite le sujet sortira de l'écran.

L'effet est rendu possible grâce au port de ces fameuses lunettes, souvent en carton, avec un filtre bleu sur l'œil droit et un filtre rouge sur l'œil gauche. Les deux filtres de couleurs complémentaires permettent à chaque œil de voir une image différente, ce que le cerveau interprète comme de la 3D.

Cette technologie souffre de nombreux défauts : colorimétrie biaisée, soucis avec les éléments de couleurs proches de celles des filtres (un objet rouge sur un ciel bleu), maux de tête rapides, images fantômes (si les couleurs affichées par l'écran ne sont pas fidèles, le filtrage rouge/cyan ne fonctionne pas parfaitement), fausse 3D (si recréée depuis une seule image)… Mais l'avantage de l'anaglyphe est que le procédé ne nécessite pas d'écran ou téléviseur particulier. C'est pourquoi c'est la technologie utilisée aujourd'hui pour les DVD 3D.

Certaines productions ont privilégié d'autres couleurs de filtre (vert et magenta ou encore jaune et bleu, toujours complémentaires). Il faut donc les lunettes avec les filtres appropriés.

lunettes à filtres rouge et bleu cyan

2- La 3D avec lunettes polarisantes

La lumière est une onde électromagnétique qui se propage dans tous les sens de façon aléatoire. Mais on peut polariser la lumière, c'est-à-dire contrôler la propagation de ses rayons en faisant en sorte que les ondes évoluent dans un plan défini, par exemple vertical ou horizontal. A l'émission moyennant des filtres polarisants, ou à la réception moyennant des verres polarisants. L'intérêt, c'est qu'on peut ainsi contrôler ce qu'on veut voir et ce qu'on ne veut pas voir, en jouant sur les polarités, un rayon vertical n'étant pas visible à travers un verre polarisé horizontalement. On parvient alors à reproduire de la 3D, avec un écran et des lunettes tous deux polarisés. Du côté de l'affichage, l'écran va diffuser simultanément deux images (capturées selon des perspectives différentes), en affichant pour chacune une seule ligne de pixels sur deux (demi-résolution). Un filtre polarisant apposé à la surface de la dalle (deux polarités alternées une ligne sur deux également) va canaliser différemment chaque demi-trame (avec des angles différents).

Et les lunettes polarisantes vont faire en sorte que chaque œil ne verra que la trame qui le concerne, le cerveau opérant alors l'assemblage en 3D. L'avantage, c'est que les lunettes sont parfaitement passives (pas d'électronique embarquée) donc légères et que la colorimétrie n'est pas altérée. L'inconvénient, c'est que chaque œil ne reçoit qu'une moitié de résolution et de luminosité, et qu'il faut être bien en face de l'écran pour percevoir un effet 3D réussi (donc pas trop nombreux dans le canapé). Cette technologie est utilisée sur les écrans Zalman Trimon ainsi que sur certains ordinateurs portables.

Lunettes polarisantes RealD

Dans les salles de cinéma, pour celles qui utilisent la technologie polarisante, la technique change un peu. Deux projecteurs dotés de filtres polarisants différents envoient chacun leur partie du film (canal gauche et canal droit), avec des images entières. L'écran, pour l'occasion métallisé, retourne les deux images en conservant pour chacune l'orientation des rayons lumineux. Les lunettes polarisées dans le même sens que les projecteurs permettent ainsi à chaque œil de recevoir sa partie du film.

lunettes RealD

3- La 3D avec lunettes actives 

Aussi appelée stéréoscopie alternée, ou encore 3D active, cette technologie est la plus utilisée à l'heure actuelle. Le principe : remplacer chaque image par deux images différentes (gauche et droite, capturées avec l'écart de perspective correspondant à la parallaxe) affichées successivement, et faire en sorte que chacun des doublons ne soit vu que par un œil, en masquant à tour de rôle un des deux yeux. Le procédé nécessite ainsi un écran qui fonctionne à la fréquence minimum de 100 Hz (25 im/s en progressif, 50 im/s pour des trames entrelacées, soit 100 im/s en 3D) mais préférablement de 120 Hz (pour 30 im/s, 60 im/s en demi-trames, la norme NTSC, soit 120 im/s en 3D) pour digérer le volume doublé d'images. Egalement des lunettes actives (dites Active Shutter), dont les deux verres sont en fait des écrans à cristaux liquides qui scintillent de façon asynchrone entre opacité et transparence à la même fréquence que l'écran, laissant chaque œil voir uniquement l'image qui le concerne.

Cette technologie est la plus qualitative (pleine résolution, colorimétrie intacte, pas de limitation d'angle de vision) mais elle exige des lunettes alimentées (rechargeable ou pas) qui peuvent être assez lourdes ainsi qu'un émetteur à infrarouges chargé d'assurer la bonne synchronisation entre l'écran et les lunettes. C'est entre autre la solution choisie par NVIDIA pour son 3D Vision. Et c'est aussi la technologie utilisée par la plupart des fabricants de téléviseurs.

4- La 3D avec réseau lenticulaire

La dernière technologie est la seule qui fonctionne sans lunette. Elle est utilisée entre autre par Fujifilm sur les écrans de ses appareils photo 3D (ainsi que sur le cadre photo numérique). L'écran affiche simultanément les deux images superposées, tandis qu'une feuille lenticulaire sur l'écran (couche faite d'une suite de lignes de microlentilles concaves) dispatche chaque image vers le bon œil. Le cerveau parvient à reconstituer l'effet 3D sans que le spectateur ait besoin de porter des lunettes.

 3Des choix technologiques à assumer

Pour ce qui est du home cinéma, c'est aujourd'hui la technologie Active Shutter qui domine. Dans tous les cas, il est important d'avoir un contenu adapté, c'est-à-dire prévu dès le départ pour être en 3D. Il ne suffit pas de prendre une image, de la doubler et de superposer les deux avec un décalage. C'est la capture qui doit être double (deux caméras ou une caméra à double objectif, saisissant deux images différentes), afin de simuler le phénomène de parallaxe que notre cerveau sait assembler pour reconstituer naturellement de la 3D. Cela implique pour les producteurs de contenu de modifier leurs méthodes de travail. Mais également pour les diffuseurs de contenus d'arriver à véhiculer des flux de données beaucoup plus volumineux. Faire de la 3D en haute définition sur Blu-ray de 50 Go n'est à priori pas un problème, mais l'envoyer directement dans les foyers vers les box est une autre paire de manche…