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LE NUMÉRIQUE LIBERE L'IMAGE 3D

Philippe Pélaprat

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Déjà utilisée pour la CAO et la simulation en réalité virtuelle, l'image en relief trouve une nouvelle dynamique par le biais du cinéma et de la télévision.

Ce n'est pas d'aujourd'hui que l'idée de restituer en relief des images planes mobilise les neurones des inventeurs en tout genre. La technique des images anaglyphes avec filtrage chromatique, par le biais de lunettes à verres rouge et bleu (ou vert), est utilisée depuis longtemps sur des supports imprimés, des photos et même au cinéma ou à la télévision, mais les résultats n'étaient pas satisfaisants tandis que la prise de vues et la restitution restaient soumises à de lourdes contraintes. Avec la numérisation de tous les maillons de la chaîne d'images, la donne change fondamentalement. Le numérique facilite la capture, le stockage et l'affichage d'images en 3D. L'augmentation spectaculaire de la capacité des disques durs, combinée à la baisse vertigineuse des coûts, fait que l'énorme volume de données généré par le relief n'est plus un problème. La puissance de calcul qu'il faut mobiliser pour générer, en temps réel, des objets virtuels en volume dans les applications de CAO ou de simulation ne se résume plus aujourd'hui qu'à une grappe de quelques PC multiprocesseurs. Ces progrès touchent aussi les images enregistrées, transformées en simples fichiers informatiques et qui s'affichent en relief à des coûts raisonnables, non plus seulement dans les laboratoires ou les centre de design industriel, mais aussi dans des salles accueillant le grand public. Partie des États-Unis, avec l'aval technique indispensable des grands studios hollywoodiens via la norme DCI, la projection numérique de films s'impose maintenant sur l'ensemble de la planète. Selon Pathé Cinéma, le monde devrait compter 6 000 salles "3D ready" à la fin 2009, dont 4 000 aux États-Unis. Depuis 2008, Disney sort tous ses films d'animation en 3D.

Chaque oeil reçoit une image différente

Les arguments en faveur de cette mutation technologique sont essentiellement la baisse des coûts techniques de distribution des copies mais aussi la possibilité de projeter en 2D et en 3D avec le même matériel. Le relief est, de plus, considéré par les professionnels comme le moyen de relancer la fréquentation des salles de cinéma et de lutter contre le téléchargement illégal. La filière du cinéma est désormais homogène : tournés en numérique ou transférés sous cette forme à partir de la pellicule, les films sont désormais "livrés" de façon sécurisée sur les lieux de projection par ADSL, fibre optique ou satellite. Le dispositif de diffusion est généralement constitué d'un serveur de stockage, de serveurs de diffusion et de projecteurs à haute résolution d'affichage 2K (2 048 x 1 080 pixels) ou 4K (4 096 x 2 160 pixels). Un film stéréoscopique numérisé a l'avantage d'être un support unique sur lequel sont multiplexées toutes les informations nécessaires à l'affichage en relief. Auparavant, les rares séances de cinéma 3D nécessitaient deux projecteurs classiques et deux bobines de films parfaitement synchronisées. Les progrès réalisés en termes de puissance lumineuse et de fréquence d'affichage ne rendent donc plus nécessaire qu'un seul vidéoprojecteur pour couvrir un écran large de 10 à 20 mètres de diagonale.

Reste à donner l'illusion du relief. Tous les procédés techniques en présence, sur les marchés du cinéma comme de la réalité virtuelle, s'inspirent initialement de la même démarche - la projection d'images différenciées et filtrées par des lunettes pour adresser à chaque oeil l'information qui lui est destinée -, seules les méthodes diffèrent. Les trois systèmes dédiés plus précisément au divertissement en salle s'appuient tous sur des performances liées intrinsèquement aux technologies numériques. Ainsi, le procédé américain RealD utilise un puissant vidéoprojecteur qui affiche alternativement 72 trames-images par oeil à chaque seconde. Cette même fréquence pilote un filtre, le ZScreen, placé devant l'optique et qui applique une polarisation circulaire gauche ou droite (± 45°) en fonction de la trame image considérée. Les spectateurs sont équipés de lunettes dont les verres incorporent un filtre dépolarisant distinct pour chaque oeil. L'affichage à haute fréquence couplé à la discrimination gauche-droite par filtrage passif permet de restituer la vision en relief.

Trois technologies imposent des lunettes

Le système RealD imposant un écran réfléchissant métallisé, son exploitation en France est freinée par les normes de la Commission supérieure technique du cinéma. Résultat, c'est le procédé européen Xpand qui est le plus répandu dans l'Hexagone. Il fonctionne sur un principe de filtrage temporel actif, avec des lunettes à obturateurs à cristaux liquides (technologie pi-cell) pilotées par infrarouge via un émetteur couplé à la fréquence d'affichage du projecteur. Chaque oeil est alternativement occulté en fonction de la trame qui lui est destinée.

Troisième acteur de la 3D en salle, l'américain Dolby a adapté une technologie de Daimler Benz. Le groupe automobile a développé, au travers de sa filiale Infitec, un système de projection en relief pour la CAO et le prototypage en réalité virtuelle. Celui-ci repose sur une technologie extrapolée des anaglyphes qui met en oeuvre un filtrage interférométrique par roue codeuse au niveau du projecteur et un filtrage chromatique en peigne, passif, dans les lunettes.

L'absence de normalisation du marché du cinéma 3D impose cependant aux fournisseurs de matériels d'adapter leurs produits à toutes les solutions. C'est le cas par exemple de Christie, constructeur américain de projecteurs, qui revendique le titre de premier fournisseur mondial du cinéma numérique, et qui a doté toute sa gamme de la technologie Brilliant3D pour optimiser la luminosité des images en relief et compenser les pertes dues aux filtres. De même pour le fabricant franco-américain de serveurs Doremi dont le DCP2000, qui lit tous les fichiers au format JPEG2000 et MPEG-2, en résolution 2K et 4K, est compatible avec les trois systèmes et incorpore certains traitements numériques spécifiques comme la suppression des images fantômes (ghostbusting).

La fréquence d'affichage demeure l'élément clé de la projection stéréoscopique en salle. Elle dépend des performances des imageurs - trio de puces à miroirs DLP de Texas Instruments chez Christie, Barco, Cinemecanica ou NEC, trio de micro-écran SXRD (Silicon crystal reflexive display) chez Sony - et de leur capacité à afficher alternativement et à très haute fréquence, les flux de données "gauche" et "droite" envoyés par les serveurs. Bien qu'imposant le port de lunettes, ce sont des technologies similaires qui sont proposées par les constructeurs de téléviseurs 3D présentés au dernier CES de Las Vegas.

Les solutions pour voir en 3D sans lunettes

Pourtant d'autres pistes semblent possibles pour libérer le spectateur des lunettes.

L'autostéréoscopie veut relever ce défi. Un inventeur français, Pierre Allio, propose sa technologie Alioscopy basée sur le principe du réseau lenticulaire. Il s'agit d'une dalle LCD d'origine Samsung, judicieusement choisie pour l'organisation de ses lignes de pixels, et qui est recouverte d'un réseau de lentilles optiques réalisé par micro-usinage au diamant d'une feuille de verre. Ces loupes microscopiques sont alignées sur les sous-pixels rouge, vert et bleu de la dalle à cristaux liquides et amplifient les éléments des images affichées selon huit points de vue différents. Ces huit points de vue permettent à l'observateur non seulement de recevoir une image distincte pour chaque oeil mais aussi de se déplacer devant l'écran en conservant une vision en relief. Le phénomène de jaillissement d'un sujet et de profondeur de champ de l'arrière-plan fonctionne dans un espace cubique de 1 à 3 mètres d'arête autour de la dalle, avec une zone de vision de 45 mètres de large. L'affichage de huit points de vue permet de ne pas imposer une position statique à l'observateur.

L'affichage Alioscopy ne pose pas de problème pour les images de synthèse puisque les logiciels de création permettent la multiplication illimitée du nombre de caméras virtuelles. En revanche, la capture d'images réelles suppose de recourir à des dispositifs à capteurs multiples séparés de 6,5 cm (l'écartement des yeux humains), systèmes sur lesquels travaille par exemple la société rémoise Télérelief. Le stockage de huit flux, soit 150 Mo/s au total, sur un PC et non plus un serveur, suppose aussi de recourir à des algorithmes de compression et des méthodes de multiplexage élaborés.

Le procédé de Philips, baptisé WoWvx, utilise également un réseau lenticulaire dont chaque ligne recouvre plusieurs sous-pixels afin de diriger l'information lumineuse vers l'observateur sous différents angles et fournir à ses yeux deux points de vue différents. Le format de fichier utilisé, "2D + Depth" ou "2D + Z", sépare l'image conventionnelle de l'information de profondeur en niveaux de gris, ce qui apporte l'impression de relief et simplifie, selon Philips, la conversion des films 2D en 3D.

Autre procédé autostéréoscopique, la barrière de parallaxe. Elle est employée notamment par la société germano-américaine NewSight. Il s'agit d'une grille de bandes opaques ou transparentes, apposée sur une dalle LCD. Le principe permet d'adresser horizontalement des groupes de huit sous-pixels pour créer autant de points de vue.

Les écrans 3D utilisés surtout dans l'industrie

Les dalles autostéréoscopiques restent toutefois très onéreuses et réservées à des applications professionnelles. Alioscopy affirme pouvoir en fabriquer un millier par an pour les marchés de la communication, de l'affichage dynamique (C3 Picasso de Citroën sur les Champs-Élysées), de la muséographie (aquarium virtuel au Nausicaa de Boulogne-sur-Mer), de la visioconférence (en prototype chez Orange R&D), de l'imagerie scientifique et médicale, sans parler de la CAO et du design. Pour l'heure, des applications grand public comme la télévision sont plus lointaines mais pas irréalistes, comme l'envisagent les Bell Labs d'Alcatel-Lucent avec leur projet d'IPTV 3D.

La montée en puissance de la projection en relief dans les salles est un phénomène qui peut contribuer à lancer le marché de la télévision 3D mais également d'autres usages comme l'affichage dynamique en relief ou le travail collaboratif en réseau avec manipulation d'objets virtuels. Bienvenue dans la troisième dimension...

LES PRINCIPAUX OBSTACLES ONT ÉTÉ LEVÉS

- En facilitant la prise de vues par capteurs numériques haute définition et de petite taille.

En enregistrant les informations de luminance, de chrominance et de profondeur de champ sous forme de données rendant possible toute modification.

En simplifiant l'affichage avec des projecteurs vidéo à haute résolution ou des écrans plats HD, associés ou non à des lunettes.

20MILLIONS

C'est le nombre de téléviseurs plasma 3D vendus dans le monde en 2012, selon l'étude d'Insight Media publiée en mai 2008. Pour 2009, l'année de démarrage de la télévision 3D, la même étude prévoit la vente de 1,4 million d'écrans plasma 3D.

LES TROIS SYSTÈMES DE RESTITUTION D'IMAGES EN RELIEF

Projection avec lunettes Technologie - Filtrage par polarisation contraire des images droite et gauche Inconvénient - Port obligatoire de lunettes "filtrantes" passives ou actives Avantage - Possibilité de s'adresser à de vastes auditoires Applications - Cinéma numérique en relief - Réalité virtuelle pour CAO Stade de développement - Déploiement en cours grâce à la numérisation des salles de cinéma Affichage avec lunettes Technologie - Filtrage par polarisation contraire des images droite et gauche. Inconvénient - Port obligatoire de lunettes "filtrantes" passives ou actives Avantage - Démocratisation de l'affichage en relief Applications - Télévision - Réalité virtuelle pour petit groupe de travail Stade de développement - En vente dans les cinq prochaines années Affichage autostéréoscopique Technologie - Réseau lenticulaire ou barrière de parallaxe appliquée sur un écran plat Inconvénients - Coût élevé des écrans - Complexité de la prise de vues Avantage - Pas de lunettes Applications - Réalité virtuelle - Modélisation 3D - Animation muséographique et scientifique - Visiocommunication - Affichage dynamique Stade de développement - Usages professionnels pour l'instant

LA CAPTURE D'IMAGES 3D SE BANALISE

La prise de vues 3D devient accessible. En témoignent les produits suivants

la Webcam en relief - Avec ses deux capteurs montés sur pince pour chevaucher l'écran d'un PC portable, la minicaméra de Minoru génère une image 3D en anaglyphes rouge et cyan qui imposent des lunettes spéciales offertes en cinq exemplaires avec l'appareil.

l'Appareil photo numérique 3D - FinePix Real 3D de Fujifilm intègre deux capteurs CCD pour filmer en 3D. Il est associé à un cadre-écran autostéréoscopique de 8,4 pouces et à une imprimante sur papier couvert d'un réseau microlenticulaire.

le Dispositif mécanique "grid" - De nombreux dispositifs mécaniques appelés "grid" (armature) sont disponibles (ici le Brigger II de Binocle) pour associer deux caméras numériques en un système de prise de vues stéréoscopique, autrement dit de capture d'images en relief. La miniaturisation des capteurs permet aussi la création de systèmes à multiples points de vue.

La Z Cam de 3DV Systems - La Z Cam de 3DV Systems mesure la profondeur de champ, c'est-à-dire la distance de chaque pixel ou objet filmé via un capteur infrarouge couplé au capteur vidéo 2D et traduit ces informations en niveaux de gris afin de restituer le relief en format 2D + Z.

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