Optique & vision de l’image 3D : une nouvelle discipline

Optique & vision de l’image 3D : une nouvelle discipline
© 2006 Alain Conraud
Extrait de l’ouvrage

Dresser un inventaire des procédés optiques de l’image 3D et en proposer un modèle de classement : c’est l’objet de cette étude. Cette proposition conduit à une formalisation agissant comme une base de discussion dont le but est de globaliser le sujet. Ce fait implique l’émergence d’une nouvelle discipline.

Cette étude fixe également un périmètre de connaissances au moyen d’une bibliographie structurée selon 4 catégories : stéréoscopie, holographie, toute technique optique 3D, perception visuelle. Le rapprochement de celles-ci constitue le domaine de l’optique & vision de l’image 3D.

Introduction

De nos jours, l’optique de l’image 3D est devenue un vaste domaine dans lequel une multitude de procédés co-existent. Cet ensemble de procédés et de méthodes constitue un sujet d’étude plutôt élargi et conduit à s’interroger sur les besoins d’une formalisation de cet univers de connaissances. Les savoirs sont divers mais également, les cultures en présence sont distinctes. La communauté des stéréoscopistes co-existe dans les faits en marge de celle des holographistes. Ceux-ci ignorent ceux exerçant en dehors de l’holographie et de la stéréoscopie. Bien au-delà encore, évolue une communauté élargie traitant des sciences de la perception et en particulier de celles de la perception visuelle. Cette dernière fait appel à des disciplines très différentes comme l’optique physiologique, la neurobiologie, les sciences cognitives, ou la psychologie. Autrement dit, tous ces savoirs s’exercent à travers des cultures distinctes et empruntent dans les faits aussi bien aux sciences « dures » qu’aux sciences « molles ». Rappelons que la vision de l’espace 3D est avant tout un phénomène psycho-physiologique. En conséquence, l’optique ou la physique de l’image 3D est à considérer également au regard des sciences de la perception. L’objet de cet ouvrage est ainsi l’optique & la vision de l’image 3D.

Il apparaît ainsi nécessaire, à l’aube de ce nouveau siècle, de structurer cet ensemble de savoirs et de cultures dans le but de formaliser un univers cohérent de connaissances. L’utilité de cette démarche de formalisation tiendrait à rapprocher les acteurs de toutes ces communautés. Un socle de connaissances admises et partagées par chaque discipline faciliterait les échanges entre communautés et stimulerait les recherches.

La proposition de cet ouvrage est d’établir un classement des procédés optiques de l’image 3D. L’analyse de ces techniques d’imagerie conduit à l’élaboration d’un modèle de classement et celui-ci doit rendre compte de la diversité des principes physiques qui sont mis en œuvre dans la conception de tous ces procédés. Ce modèle est un exercice d’interdisciplinarité.

Au-delà du modèle, il est aussi nécessaire de fixer le périmètre d’un espace de connaissances destiné à fonder une formalisation du sujet. Une bibliographie est proposée dans ce sens, rassemblant les disciplines principales, et définie comme une source cohérente de savoirs. Cette bibliographie est structurée selon 4 catégories : stéréoscopie, holographie, toute technique optique 3D, perception visuelle. Chaque liste proposée ne contient pas d’articles isolés, mais des ouvrages d’auteur ou des ouvrages d’éditeur(s) proposant une sélection d’articles. Les ouvrages proposés relèvent aussi bien de la littérature académique que de la littérature de vulgarisation. Sur la question des articles fondant l’étendue des connaissances sur chacun de ces sujets, la plupart des ouvrages cités propose une bibliographie d’articles et l’ensemble de ces listes constitue « la bibliographie » des articles reconnus. Les 4 bibliographies proposées contiennent des ouvrages de langue anglaise essentiellement, mais aussi quelques titres allemands ou russes. Un effort particulier a été porté à l’inventaire des ouvrages français dans la mesure de la littérature existante.

Trop de R&D se produisent en dehors d’une approche globale du sujet. Chaque recherche est potentiellement performante mais souffre souvent d’isolement ou d’un manque d’influence de la part des autres voies de recherche. Autrement dit, chacun peut s’inspirer de l’autre mais ne le fait pas par ignorance ou par culture. Chaque voie de recherche gagnerait à percevoir les connaissances capitalisées par les autres. Il s’agit de l’exercice de complémentarité au sein d’un même domaine. En conséquence, l’idée est ainsi d’élaborer le périmètre au plus juste de ce domaine (optique & vision de l’image 3D) dans le but d’en optimiser les synergies internes.

Cette étude a pour but aussi de promouvoir l’émergence d’une discipline qui se doit d’être autonome et cohérente pour être utile. La formalisation proposée a la fonction d’agir comme un carrefour des divers courants de pensée ou cultures. Ces différentes communautés se doivent de confronter leurs connaissances entre elles. Autrement dit, cette formalisation interviendrait comme un cadre d’échanges entre ces divers savoirs.

Le fondement de l’approche est de dissocier ce qui est stéréoscopique de ce qui ne l’est pas, ce qui conduit à considérer la catégorie globale des procédés d’imagerie volumique par opposition à la stéréoscopie. Dans la hiérarchie du traitement de ces catégories, l’imagerie dite volumique est présentée tout d’abord pour marquer la distinction existant selon les critères de la perception visuelle : la vision stéréoscopique est une vision d’adaptation et se doit d’être classée en conséquence comme secondaire par rapport à une vision naturelle qui s’avère être possible dans le cas des procédés d’imagerie dite volumique.

Les techniques d’imagerie 3D optique sont particulièrement variées. Un classement de celles-ci n’est pas aisé. En fonction de quel paramètre doit-on ranger ces procédés ? Un modèle de classement en fonction de chaque paramètre est envisageable mais dans ce cas, il devient délicat de formuler un modèle général synthétique embrassant tous ces sous-modèles.

La recherche actuelle a besoin d’une vision générale ou globale de la question pour optimiser les voies d’exploration ou de conception de nouveaux procédés 3D. L’élaboration d’un modèle global des techniques 3D doit tenir compte de l’utilité de celui-ci.

La proposition du modèle suivant est formulée dans l’objectif de produire une approche globale du sujet la plus simple et la plus accessible possible. Ce modèle est évidemment non définitif et constitue un point de départ au traitement de la question.

Les modalités de la perception visuelle constituent la première fonction de classement des procédés. Dans ce sens, il est possible de distinguer :

• La vision naturelle satisfaite par la perception d’un front d’onde d’amplitude et de phase.
• Une vision d’adaptation à un double front d’onde d’amplitude exclusivement (distinct pour chaque œil) tel que la perception de ce couple produise un fusionnement.

La vision naturelle s’applique aux procédés volumiques où il est donné à voir un espace 3D naturel, soit un volume cohérent au sens strict (aberrations mises à part), et la vision d’adaptation décrite correspond à la stéréoscopie où il est donné à voir un couple d’images.

La stéréoscopie repose sur la vision binoculaire. Cette vision d’adaptation est gouvernée par la rupture de la synergie accommodation/convergence qui est une fonction principale dans la perception de l’espace 3D. En effet, les yeux accommodent à la distance du lieu physique de l’image alors qu’ils convergent à une distance différente (plus courte ou plus longue). Une autre adaptation demandée à la vision est liée à la question de la fidélité de la restitution de l’espace 3D. En dehors des questions de résolution, cette fidélité est respectée dans le seul cas d’une restitution à partir d’une prise de vue convergente, satisfaisant la condition d’un strict retour inverse de la lumière. Cette situation implique ainsi les conditions dites du champ normal ; ce cas est rarement exploité. Dans l’usage, la convergence à l’infini, le choix de la focale, la gestion des points homologues, le format de restitution, font que le cerveau (qui est l’organe de vision) interprète un espace 3D, exploitant également les indices monoculaires disponibles à la perception. Il faut également ajouter la question des aberrations optiques du procédé qui viennent entraver (plus ou moins) la bonne restitution de l’image.

La vision naturelle repose sur cette synergie accommodation/convergence qui garantit un confort de perception. En dehors des questions de résolution, la fidélité de restitution (du front d’onde) dans les procédés volumiques n’a plus le même enjeu. La question se réduit aux aberrations du procédé optique qui génère le front d’onde offert à la vision. En l’absence d’aberrations, le champ normal est considéré comme reconstitué de fait (même en cas de non fidélité de la restitution).