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Acuité visuelle stéréoscopique – vision du relief

Acuité visuelle stéréscopique : perception fine du relief

 

Définition

L’acuité visuelle stéréoscopique est la mesure de la différence minimale de l’angle de convergence entre les deux yeux permettant de distinguer deux objets comme situés à une distance différente.

La perception du relief est liée à la différence de projection rétinienne entre les images perçues par les deux yeux quand ils fixent un même objet, en raison de l’effet de parallaxe.

L’acuité stéréoscopique est une notion qui fait intervenir les deux yeux (binocularité). Elle peut être calculée de manière simple grâce à l’exemple suivant, en faisant une  approximation liée au fait que la distance de l’objet observé est grande vis-à-vis de l’écart inter-pupillaire. Imaginons un observateur muni d’un écart pupillaire moyen de 65 mm, et un objet situé à 65 mètres. L’angle de convergence entre les deux yeux est de 0.065/65=0.001 radian = 1 milliradian. On approche lentement l’objet de l’observateur et on demande à celui-ci de signaler la distance à partir de laquelle il perçoit un changement de distance. Si ce changement intervient, par exemple, à une distance d’objet de 60 mètres, l’angle de convergence alors formé par les yeux de l’observateur est de 0.065/60 =1.08 milliradian. L’acuité visuelle stéréoscopique est égale à 0.08 milliradian (8 centièmes de milliradian), soit 0.27 minutes d’arc.

 

Valeurs moyennes

Les études concernant la mesure de l’acuité visuelle stéréoscopique révèlent une assez grande disparité entre les individus, mais que la valeur de l’acuité visuelle stéréoscopique est proche de 5 à 10 secondes d’arc (soit 1/12e à 1/6e de degré d’angle, soit 25 à 50 microradians).

Cet angle est inférieur à la limite de résolution de l’acuité visuelle monoculaire (pouvoir séparateur). Les yeux sont donc capables de détecter un écart de parallaxe plus fin que le pouvoir séparateur, et que ce qu’impose les limites de la diffraction (et de la résolution rétinienne). Ceci est d’autant plus étonnant que la sensation du relief n’est pas liée au degré de convergence des yeux (et ses variations), mais aux modifications des images rétiniennes qu’induisent les déplacements et les différentes positions des objets observés. L’acuité visuelle de résolution est cependant meilleure en binoculaire, et l’acuité visuelle de détection encore supérieure (ex : la capacité à discerner un fil extrêmement fin, inscrit dans un angle de quelques secondes d’arc,  sur un fond uniforme). Ces résultats pourraient s’expliquer par l’intégration de plusieurs « mesures » effectuées lors des microsaccades oculaires).

 

Paramètres influençant l’acuité visuelle stéroscopique

Le schéma suivant permet d’étudier l’influence de l’écart pupillaire et la distance d’observation.

 

acuité visuelle stéréoscopique

L’estimation de l’influence sur l’acuité visuelle stéréoscopique de diverses variables peut être estimé grâce au schéma ci dessus. Les approximations nécessaires sont effectuées en considérant les triangles dont le sommet est constitués d’angles très petit. La différence de profondeur minimale perçue (dP) est petite vis à vis de la valeur de P.

Il résulte de ces observations que la distance d’observation influe beaucoup sur l’acuité visuelle stéréoscopique en terme de variation minimale perçue (dP) : celle-ci tend à diminuer fortement avec la distance d’observation (P). La perception du relief est plus aisée dans une pièce que dans un espace plus vaste. ’

 

 

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.

 

Les patients atteints de strabisme ont une vision stéréoscopique anormale, car le processus de fusion entre les images des deux yeux est déficient. Un œil (fixateur) « impose » sa vision, parfois en alternance avec l’œil controlatéral. L’existence d’une amblyopie profonde, ou d’une correction optique résultant en une grande disparité de l’image rétinienne (anéisoconie) gênent fortement la perception stéréoscopique (la vision binoculaire est impossible quand la taille des images rétinienne entre l’œil droit et gauche varie de plus de 5%, ce qui peut être induit par une différence de correction en lunettes de 3 dioptries environ ). Enfin, les personnes atteintes d’hétérophorie (ou d’insuffisance de convergence) doivent accomplir un effort de fixation plus important, résultant parfois en une fatigue visuelle, des maux de tête, etc.  Chez les sujets atteints d’hétérophorie, il existe un défaut latent d’alignement des axes visuels, qui est démasqué quand on supprime le besoin de fusion. Certaines phories peuvent se décompenser en strabisme, quand le sujet atteint n’arrive plus à accomplir l’effort nécessaire de fusion. La visualisation de scènes en 3D au cinéma peut s’avérer pénible chez ces patients pour lesquels la perception  d’un dédoublement des images ou d’une partie d’entre elles est fréquent.

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:

stéréoscope à carte

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 oeil 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).

anaglyphes, vision du relief

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.

 

 

1) Gal Louis Hurault. Problèmes techniques de la stéréoscopie, Institut Géographique National, Paris, 1964

2) Cahen O. L’image en relief, du film au numérique, Collection Technologie, Presse des Mines, 2011

 

2 réponses à “Acuité visuelle stéréoscopique – vision du relief”

  1. COSSEC dit :

    Bonjour,
    Je vous remercie pour ces explications.
    Astronome amateur, je souhaite prendre en photo la lune afin d’en faire deux images stéréoscopiques.
    Je souhaitais vérifier que l’écart entre les deux clubs d’astronomie participant (INDE et FRANCE) serait suffisant pour réaliser ce projet.
    Auriez vous des informations, des « règles » ou astuces concernant l’Hyper-stéréoscopie, afin d’augmenter la perception du relief ?
    Respectueusement
    Jérémy COSSEC

  2. Dr Damien Gatinel dit :

    C’est un projet intéressant, et j’avoue ne pas avoir d’idée précise concernant celui-ci. Je pense que le diamètre angulaire apparent de la lune dans le ciel rapporté à son rayon (distance entre sommet et disque équatorial apparent) est un paramètre important, ainsi que la résolution des clichés astronomiques (conditionnant les détails perçus et différents a priori pour rendre perceptible une impression de relief en superposant les images des côtés respectivement « droit » et « gauche »…)

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