La vision stéréoscopique a été remise sur le devant de la scène par le développement de son utilisation virtuelle, au cinéma ou sur les consoles de jeux. Les mécanismes utilisés pour générer artificiellement une impression 3D sont très similaires à ceux mis en jeu lors de la perception naturelle du relief. Ils comprennent la stéréoscopie vraie, binoculaire, générée par la perception simultanée de deux images légèrement décalées horizontalement, ainsi que l’interprétation des indicateurs de profondeur des images (perspectives, distribution des ombres et lumières,...).
La stéréopsie est le degré le plus élevé de la vision binoculaire.
Afin de comprendre les mécanismes utilisés pour reproduire artificiellement le sentiment de relief à partir d’une image plane, il est nécessaire de connaître le fonctionnement de la vision stéréoscopique physiologique.
La perception naturelle du relief repose sur deux mécanismes : la perception simultanée des objets par les deux yeux, et l'interprétation de l'image. La perception binoculaire du relief (stéréopsie) est possible grâce à la juxtaposition des yeux dans même plan frontal. L'écart moyen de 6,5 cm entre les yeux implique que chaque œil observe le même objet sous un angle différent, et transmet au cerveau des images décalées horzontalement. La sensation tridimensionnelle est élaborée par le cortex visuel en fusionnant ces images décalées. Plus la disparité horizontale est grande, plus l'impression de relief est importante, alors qu'un décalage vertical ne produit pas d'effet stéréoscopique.
Parce qu’ils sont juxtaposés, les yeux voient les objets sous un angle légèrement différent (cube vu par l’œil gauche (A) et par l’œil droit (B)), et les images perçues sont donc légèrement décalées horizontalement. La perception du relief résulte de la fusion cérébrale de la disparité horizontale (C *).
La stéréopsie se développe très tôt, principalement du troisième au sixième mois de vie, et nécessite une bonne vision de chaque œil, relativement symétrique, ainsi qu’un alignement des yeux. Il existe une période critique de développement, dont la durée exacte n’est pas encore élucidée, après laquelle la vision stéréoscopique ne peut plus s’installer. Plus tard, la stéréopsie est perdue en cas d’apparition d’un strabisme ou d’une baisse d’acuité visuelle importante, par exemple : secondairement à une cataracte avancée ou à une dégénérescence maculaire liée à l’âge. Entre 5 et 10% de la population ne bénéficie pas de vision stéréoscopique.
La perception du relief basée sur l’interprétation des images est déjà possible en condition monoculaire. Elle exploite la distribution des ombres et des lumières, l’ordre des objets, la superposition des contours, les perspectives linéaires, la taille des objets connus, que l’on sait diminuer avec la distance, la couleur des objets connus, plus sombres à mesure qu’ils s’éloignent, ainsi que la vitesse de défilement des objets, qui est inversement proportionnelle à leur distance. La perception binoculaire et l’interprétation des images interviennent simultanément, et se potentialisent pour créer l’impression tridimensionnelle.
Plus sur la perception du relief
La conscience de la profondeur, qui permet de percevoir la distance relative des objets environnants est essentiellement causée par la stéréopsie (ou vision stéréoscopique). Elle découle de la disparité rétinienne (intrinsèque à la vision binoculaire).
La vision binoculaire repose sur 3 degrés, qui se mettent progressivement en place au cours du développement visuel, entre la naissance et l’âge de 6 ans :
La vision simultanée : chaque œil reçoit une image différente, en raison de la situation géométrique propre à chaque œil vis-à-vis-à-vis de la scène observée.
La fusion : malgré la présence de deux images, la perception de l’objet vu est unique. Cette perception permet d’améliorer la qualité de la vision grâce au cumul des informations reçues. Elle requiert l’alignement des axes visuels de chaque œil sur l’objet fixé (fusion motrice), et un traitement cortical de l’information qui permettra aux images formées par les deux yeux d’être associées en une image unique (fusion sensorielle).
La stéréopsie, ou intégration corticale des images perçue par les yeux droit et gauche
La reconstitution du relief en vision binoculaire provient ainsi de la disparité des images rétiniennes produite par la réfraction des rayons lumineux issus du même objet par chaque œil : en raison de l’écart spatial entre les globes oculaires (distance inter pupillaire), les images formées sur la rétine de l’œil gauche et de l’œil droit de sont pas identiques. Des neurones spécialisés du cortex visuel permettent d’élaborer la sensation du relief à partir de ces disparités, auxquelles s’ajoutent d’autres informations, comme celle d’un déplacement relatif, d’une occultation etc : il s’agit d’une fonction fine et complexe, et qui, à elle seule, pourrait expliquer la prévalence de la vision au sein du cortex affecté aux tâches sensorielles. La vision du relief par stéréopsie concerne le champ de vision central (environ 130°), où se situent les objets dont les rayons peuvent impressionner les deux rétines simultanément.
Pour pouvoir être fusionnées, les points respectivement formés d’une même source sur les rétines droite et gauche ne doivent pas être trop distants, de manière à être vus comme provenant d’une même source ; ils doivent être situés sur une surface appelée « aire de Panum ». La tolérance au niveau de la fovéa est estimée à un angle visuel de 5 minutes d’arc (espace correspondant à une aire de Panum). Cet angle augmente en périphérie du champ visuel, et il varie également en fonction de la distance d’observation, et de facteurs individuels.
La perception du relief peut donc être rendue par l’utilisation de deux images bi dimensionnelles, conçues (synthétisées par ordinateur) ou prises (capturées par un système photographique) de manière à correspondre à ce que verrait l’œil droit et l’œil gauche d’un observateur. Ces images, capturées par un appareil stéréoscopique (double objectif, ou objectif stéréoscopique), devront ensuite être restituées séparément pour chaque œil afin de reproduire la perception de la profondeur et donner un effet « 3D ».
Les stéréoscopes fonctionnent sur ce principe; un système optique relativement rudimentaire, associant un prisme à un verre convergent (loupe) permet de superposer sans fatigue deux images, le cerveau utilisant alors le décalage entre les différents plans pour pour restituer une sensation de relief :
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| L’utilisation d’un verre convergent (loupe) avec un prisme à base externe permet aux yeux droit et gauche d’un même sujet de fusionner sans effort deux images, dont la prise de vue (ou la synthèse) a été effectuée de manière à correspondre à ce que verrait chaque œil séparément. |
Ce principe de séparation entre les yeux droit et gauche grâce à un système optique permettant de fusionner deux images distinctes (non superposées) s’incarne aujourd’hui dans les casques « à immersion », comme le casque Oculus Rift. Un autre exemple courant est celui des images colorées superposées dites « anaglyphes », qui sont observées à travers des filtres colorés (ex « rouge » et « cyan ») (2).
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| La restitution d’une impression de relief peut être obtenue grâce à la l’interposition de filtres (cyan et magenta) devant chaque oeil. Ceux ci reçoivent ainsi une image distincte, et la fusion et l’intégration corticale traduisent les différences de projection des images rétiniennes respectives en sensation de profondeur. |
Un autre procédé, également tout à fait analogue dans son principe, quoique plus sophistiqué, est couramment utilisé depuis quelques années dans les salles de projection de films 3D. Il utilise les propriétés de la lumière polarisée et des lunettes avec des filtres polariseurs, pour attribuer à chaque œil une image spécifique à partir de la réception simultanée de deux images formées par la focalisation puis la réflexion de lumières de polarisation (circulaire) spécifiques sur un même écran (métallisé).
Relief monoculaire
Certains états visuels liés à des particularismes réfractifs comme l’anisométropie (différence importante de correction entre les deux yeux), quand ils ne sont pas corrigés, peuvent induire une réduction marquée de la vision binoculaire et de la perception du relief. La monovision induit une différence de correction volontaire entre les deux yeux (pour la vision de près, une réfraction résiduelle myopique est induite sur l’oeil dit non dominant, alors que l’oeil dominant est corrigé en totalité pour la vision de loin). La monovision ne supprime pas complètement l’appréciation du relief, du moins chez une proportion importante de patients, justement parce que celle-ci découle aussi de facteurs monoculaires.
La perception du relief peut également être le fruit d’une vision monoculaire grâce aux facteurs suivants :
- La perspective : les lignes des objets sont déformées par la perspective, à l’image des bords parallèles d’une route qui se rapprochent avec leur éloignement
occultation et superposition des objets : les objets plus proches occultent partiellement les plus lointains, en recouvrent les contours.
- La grandeur relative des objets quand on en connait la taille approximative.
- La texture (structure fine) : le degré de « granulosité » d’une texture rugueuse s’estompe avec la distance.
- La parallaxe des objets en mouvements : la vitesse de déplacement des images sur la rétine renseigne sur les distances des objets statiques (ne mouvement relatifs par rapport au déplacement de l’observateur) ou se déplaçant. Pour une même vitesse absolue, la vitesse perçue sera différente en fonction de la distance du plan de déplacement à celui de l’observateur.
- Les positions des ombres et lumières, des reflets : elles sont dictées par des lois géométriques projectives qui sont voisines de celles qui gouvernent la perspective. Elles renseignent sur la géométrie tri dimensionnelle de l’objet vu, et ce d’autant plus que celui-ci est rapproché.
- La diffusion atmosphérique : l’air diffuse la lumière, les radiations bleues étant plus diffusées que les radiations plus longues. Cette lumière bleutée s’ajoute à celle qui provient des objets les plus lointains.
L’accommodation : elle est sollicitée de manière variable en fonction de la distance des objets qu’il faut voir net : plus ils sont proches, plus l’accommodation est sollicitée.
- L’accommodation ne joue un rôle qu’en deçà d’une dizaine de mètres.
Certains de ces facteurs expliquent l’impression de « profondeur » que l’on peut ressentir en contemplant un tableau ou une photographie, même d’un seul œil. L’effet de la diffusion atmosphérique a bien été rendu par Da Vinci et les peintres de la Renaissance avec la technique du sfumato, conçue pour accentuer l’effet d’éloignement de l’arrière-plan d’une scène picturale.
