La 3 Dimension

III- Experiences

A/ Les images 3D sont elles obligatoirement en rouge et cyan?

Matériel:

- filtre bleu              - Image en bleu et jaune type 3D

- filtre vert                - Image en vert et magenta type 3D

- filtre rouge            - Image en vert et jaune type 3D

- filtre cyan               - Image en bleu et vert type 3D

- filtre jaune             -Image en Magenta et jaune type 3D

- filtre magenta

Expérience:

1) Le JAUNE et VERT

• couleurs non complémentaires
• une couleur primaire et une couleur secondaire

Après avoir observé l'image en plassant les filtres de couleur jaune et vert sur nos yeux nous ne constatons aucun effet de 3 dimension.

2) VERT ET MAGENTA

• Couleurs complémentaires
• Une couleur primaire et une couleur secondaire

Après avec observé l'image à l'aide des filtres nous constations un effet de 3 dimension.

3) BLEU ET JAUNE

• Couleurs complémentaires
• Une couleur primaire et une couleur secondaire

Après observation de l'image à l'aide des filtres bleu et jaune nous constatons également un effet de 3 dimension.

4) BLEU ET VERT

• Couleurs non complémentaires
• Deux couleurs secondaires

Après avoir observé l'image avec les filtres vert et bleu nous ne constatons aucun effet de 3 dimension.

5) MAGENTA ET JAUNE

• Couleurs non complémentaires
• Deux couleurs primaires

Après observation de l'image avec les filtres nous ne constatons aucun effet de 3 Dimension.

Interprétation:

Nous constatons que les associations de couleur qui permettent la 3D sont celles qui associent les couleurs complémentaires :  bleu jaune, vert magenta, rouge cyan.

B/ Explication des résultats

1) Les couleurs

Dans le cas de la 3D anaglyphe, les filtres utilisent le principe de la synthèse soustrative
Le principe de la synthèse soustractive consiste à placer devant le lumière blanche un ou plusieurs filtres colorés, les couleurs primaires de cette synthèse sont le cyan, le majenta et le jaune. Il en résulte un faisceau lumineux dont nous pouvons observer le spectre.

Un spectre lumineux est l'ensemble des radiations émises par la lumière.

Ici la lumière blanche:

Une radiation est la propagation de la lumière sous forme d'ondes.

Ces ondes sont mesurées en nm ( nano mètre/ 10^-9 mètre )

La longueur d'onde est alors appelé λ ( lambda )

 Le spectre du faisceau lumineux qui ressort après le filtre est le spectre de la lumière blanche, moins la portion du spectre absorbée par le ou les filtres colorés.

Exemple: le filtre cyan 

lorsque l'on superpose les 3 filtres colorés on optient du noir: 

Ainsi nous pouvons repérer ce que l'on appelle les couleurs complémentaires. Il s'agit de deux couleurs qui une fois superposées forment du noir. 

Par exemple: dans le magenta il y a du rouge et du bleu, nous le superposons alors avec le filtre vert, et ainsi les 3 couleurs secondaires rouge, bleu et vert y sont présentes et forment le noir. 

2) Explication de l'experiense

Prenons deux couleurs non complémentaires: le jaune et le vert.

• le vert est une couleur primaire -> attribué à l'oeil droit.
• le jaune une couleur secondaire constituée de vert et de rouge -> attribué à l'oeil gauche

L'oeil droit voit donc la partie colorée verte de l'image jaune et l'image verte. L'oeil gauche voit l'image jaune et l'image verte.

Or chaque oeil ne doit voir que l'image qui lui est appropriée pour recréer l'effet 3 dimension. Ce qui n'est pas le cas quand les couleurs ne sont pas complémentaires. 

 De plus il faut obligatoirement la présence des 3 couleurs primaires dans les couleurs utilisées (une dans le filtre de couleur primaire et deux dans le filtre de couleur secondaire), ce qui est le cas pour les couleurs qui sont complémentaires.

 Conclusion-

Pour conclure, nous pouvons dire que la 3D a évolué au fil du temps et les techniques se sont multipliées pour imiter la vision en relief naturel chez l'étre humain. Malgré les progrés, les opinions divergent sur l'utilité et les désagréments de la  3 dimension. Comme vu dans l'experience les couleurs utilisées pour la 3D anaglyphe peuvent étre changées, la possibilité de découvrir de nouvelles techniques et donc envisagable.

Remerciements

Nous souhaitons remercier nos professeurs de TPE, monsieur Dingeon et madame Comecy, qui nous ont apporté beaucoup d’aide durant cette période tout en restant dans le cadre du TPE et ainsi que notre professeur de physique, Madame Beaurain, qui nous a procuré des filtres afin de réaliser notre expérience.

Ensuite nous remercions également les personnes qui nous ont donné des idées, comme nos parents, les auteurs de certains sites, de magazines… qui ont pu nous aiguiller avec des écrits faciles et agréables à lire. 

Ce TPE a été une très belle expérience pour nous trois, elle nous a permis à mieux nous connaitre et à savoir réaliser un travail de groupe. Ce sujet fut très enrichissant car nous avons ainsi pu apprendre la façon de  créer de la 3 dimensions avec différentes couleurs et mieux comprendre le fonctionnement de  notre vision.

II- Qu'est ce que la 3 Dimension?

A- Perspective et dimensions.

Nous appelons couramment une image telle que celle ci-dessous, une image en 2D ( deux dimensions).

Or cette image est une image en trois dimensions. Un dimension est l'équivalent d'un axe. Dans un repère, les axes des abscisses ( x ) et des ordonnées (Y) pour la deux dimension, sur les images en perspective comme celle-ci nous avons la présence d'un troisième axe ( z ) appelé l'axe de rotation. 

C'est notre cerveau qui crée l'effet de 3 dimensions, mais il existe des cas où notre cerveau peut être piégé comme par exemple avec le cube impossible:

Le cerveau est alors dans l'obligation de choisir, car on ne peut pas placer d'axe dans cette image. 

Remarque: Le 4D au cinéma n'existe pas car la 4eme dimention est en réalité le temps. Ce qui est appelé 4D dans un film, c'est la présence de mouvements du fauteuil dans la salle pour rendre le film encore plus réaliste.

B/ La 3 dimension anaglyphe

La 3D Anaglyphe est un procédé qui consiste à prendre deux angles de vues différents d'une même image (ce qui revient à avoir deux images comme lors de la vision binoculaire), et de retirer dans l'une les composantes cyan ( elle devient donc rouge) et dans l'autre la composante rouge ( l'image sera cyan ). Ces deux images sont ensuite combinées pour former une seule et même image. 

L'effet de relief est donné avec le décalage entre les deux images, la profondeur est donnée lorsque le bleu est à gauche et le rouge à droite. 

et l'effet de jaillissement apparaît lorsque le rouge est à gauche et le bleu à droite.

Les zones se trouvant sur l'axe x, sont les zones où les deux images se superposent parfaitement.

Pour voir ces images en relief il faut se munir de lunettes adaptées, avec un filtre cyan à droite et un filtre rouge à gauche. Ces filtres permettent que chaque oeil voit l'angle de vision qui lui est propre. Le filtre rouge évite à l'oeil gauche de voir l'image cyan et le filtre cyan évite à l'oeil droit de voir l'image rouge, auquel cas, le cerveau distinguerait les deux images tel que nous les percevons sans lunette. 

C/ La 3D Active ou Stéréoscopie

La 3D Active est un procédé utlisé dans les télévisions ou dans certains parcs d'attractions.

 C'est une technique qui consiste à faire défiler un image pour l'oeil gauche puis pour l'oeil droit et ainsi de suite. Cette technique nécessite égalemment des lunettes spécifiques.

Les verres des lunettes contiennent une matrice LCD qui permet d'opacifier un verre puis l'autre afin que chaque oeil perçoive uniquement l'image qui lui est destinée.

Ces lunettes possédent une alimentation ( pile ou batterie) qui permet leur fonctionnement. Elles sont reliées à l'écran pour être sycrhonisées avec les images. 

D/ Le 3D passive

C'est un procédé très utilisé au cinéma, Il consiste à faire vibrer différemment les ondes lumineuses qui sont émises par les lignes représentant les images droites, des ondes lumineuses émises par les lignes représentant les images gauches : c'est la polarisation des images. 

Les verres des lunettes sont équipés de filtres polarisants qui permettent à chaque oeil de voir uniquement les lignes représentant l'image qui lui est destinée.

Le premier film en 3D sorti au cinéma en France est Avatar en 2009. 

Introduction-  

Notre sujet de TPE est la 3 Dimension, La 3D est au centre des discussions, tout le monde en parle sans vraiment savoir comment elle fonctionne. En effet nous voyons en 3D, grâce à la vision binoculaire présente chez l'être humain. Depuis le 21ème siècle nous pouvons recréer cette vision naturelle à partir  d'images en 2D.

Le principe de la 3D est de reproduire une sensation de vision en profondeur et en relief. Il existe plusieurs techniques pour voir en 3D. Une des techniques que nous allons étudier est la 3D anaglyphe, qui utilise des filtres de couleurs primaires et secondaires. La question que nous nous posons est : peut-on utiliser d'autres couleurs que le rouge et le cyan pour la 3D anaglyphe ?

Dans une première partie nous étudierons la vision binoculaire qui passe par les yeux et le cerveau. Nous verrons ensuite les différentes techniques qui nous permettent de recréer la 3D. Pour finir nous répondrons à la problématique avec une expérience.

I - La Vision Binoculaire

A/ Les Yeux

Les yeux humains permettent la vision binoculaire. En effet ils sont espacés d'environ 65 mm de façon à avoir deux champs distincts, c'est à dire deux angles de vue différents de la même image. 

Si nous superposons ces deux images nous constatons un décalage.

Cela s'explique en observant le fonctionnement de nos yeux:

• Comment reçoivent-ils la lumière?

                                                                              Coupe sagittale de l'oeil humain

Dans un premier temps, la lumière provenant d'un objet traverse la cornée puis  l'humeur aqueuse, et enfin  arrive sur le cristallin qui lui,  fait converger les rayons lumineux sur la rétine. Le cristallin sépare les deux humeurs de l’œil (aqueuse et vitrée à l’arrière).

La rétine est une membrane constituée de différentes cellules nerveuses. Ces dernières sont connectées entre elles et forment un réseau complexe. La rétine est formée de trois couches de cellules nerveuses :

                          lumière

a) la couche des cellules multipolaires - ganglionnaires- (située la plus proche du cristallin) ;

b) la couche des cellules bipolaires (couche moyenne) ;

c) la couche des cellules photoréceptrices (qui est la plus éloignée du cristallin) qui sont les seules neurones de la rétine excitables par la lumière. C'est dans ces neurones sensoriels que nait le message nerveux.

Nos yeux sont munis de photorécepteurs. Ce sont des cellules sensibles à la lumière. Il en existe deux types: les bâtonnets, et les cônes. Les bâtonnets sont sensibles à une faible intensité de lumière, contrairement aux cônes. Les cônes assurent donc la vision diurne ( vision de jour ) en couleurs. A la différence des bâtonnets, ils ne remplissent plus leur rôle lorsque la quantité de lumière qui entre dans l'oeil est insuffisante.

Photorécepteurs

Ces photorécepteurs sont situés au niveau de la rétine, il y a 125 millions de batonnets, et 5 millions de cônes. Les cônes sont concentrés au niveau de la fovéa. Plus l'on s'éloigne de celle-ci, plus il y a de bâtonnets et donc moins de cônes. Le point aveugle est l'endroit où il n'y a pas de photorécepteurs car c'est le point de départ du nerf optique.

                                                          Rétine périphérique                             Fovéa

Point Aveugle

• Que perçoivent-ils?

Les photorépteurs reçoivent les rayons lumineux venant d'un certain angle, c'est l'angle du champ de vision. 

Champ visuel

• Comment le message est-il transmis au cerveau?

 Les rayons lumineux sont alors perçus par les cellules photoréceptrices qui transmettent le message lumineux sous forme de message électrique aux neurones bipolaires. Ces neurones bipolaires transmettent alors le message électrique aux neurones ganglionnaires dont les axones forment le nerf optique. Le message est transmis au cerveau via le nerf optique.

La rétine

Cellule nerveuse

Ce schéma est un neurone type qui comprend un corps cellulaire et des prolongements cytoplasmiques (dendrites et axones) : il comprend une zone réceptrice (dendrite et corps cellulaire) qui reçoit les messages issus d'autres neurones et une région émettrice où le message est élaboré (à la base de l'axone), puis conduit vers d'autres neurones (extrémités de l'axone) 

B/ Le cerveau

Le cerveau reçoit le message électrique transmis par le nerf optique, L'information est alors transmise aux aires du cerveau destinées à la vision. La vision est découpée en 4 parties : le lobe temporal gauche, le lobe nasal gauche, le lobe temporal droit et le lobe nasal droit. Les deux lobes nasaux se croisent au niveau du chiasma optique tandis que les deux lobes temporaux ne se croisent pas. Le corps genouillé est l'endroit où tous les axones de tous les neurones ganglionnaires passent le message à d'autres neurones.

 Circulation de l'image

Zones du cerveau consacrées à la vision

Les informations circulent dans le cerveau grâce aux neurones, qui transmettent le message nerveux sous forme de signaux électriques.

Le signal nerveux est sous forme de molécule de neuro-transmetteur regroupée dans les vésicules synaptiques, ces vésicules se situent dans la terminaison présynaptique. Les vésicules fusionnent avec la membrane présynaptique, il y a libération des neuro-transmetteurs dans l'espace synaptique. Les neuro-transmetteurs se fixent alors sur les récepteurs de la membrane post-synaptique. Il y a naissance du message nerveux post-synaptique. Si les neuro-transmetteurs ne trouvent pas de récepteur il y a récupération du neurotransmetteur dans la zone présynaptique.

Transmission du message nerveux

Le cervaux réalise la synthèse des deux images, il établit alors une estimation des distances et réalise ainsi une image en relief. 

C'est ainsi que le cerveau construit notre vision en 3d appelée vision binoculaire. Cette vision est nécessaire pour de multiples activités comme la conduite, certains sports, et dans plusieurs métiers où une vision parfaite est exigé comme pilote de chasse.