« L’effet Pulfrich », ou le cinéma en relief avec de vieilles lunettes de soleil…

Amis de la bricole et de la physiologie amusante, je vous propose aujourd’hui de réaliser un film en relief avec une seule caméra, et de le visionner sans aucun frais – mieux, en recyclant une vieille paire de lunettes de soleil. Oui, oui, une banale vieille paire de fausses Ray-Ban même pas vraiment anti-UV. Il peut même ne rester qu’un seul verre. Je vais vous dire : c’est même mieux, ça nous fera économiser du temps.

Sommaire

• Préliminaires théoriques
• Naaaan, je suis sûr que l’auteur de l’article bluffe
• La parallaxe, c’est trop cool
• Back to the 1920’s
• Où vous voyez bien que non, je ne bluffe pas
• Baseball et sécurité routière

Préliminaires théoriques

Mais avant, reprenons les bases. Cela n’a échappé à personne : sur un visage, les yeux sont assez éloignés l’un de l’autre – généralement entre 5 et 8 cm entre les pupilles. Ce que nous percevons du monde, en permanence, nous le voyons littéralement de deux points de vue distincts. L’œil droit perçoit les objets sous un angle, l’œil gauche sous un autre, subtilement mais significativement différent.

C’est le cortex visuel, à l’arrière du cerveau, qui recrée une image composite à partir de ces deux sources, en y intégrant la sensation de profondeur.

Bon, ça c’est quand on montre un objet en volume à nos mirettes. Mais lorsque l’on va voir un film en relief, me direz-vous, l’écran est plat. Certes, répondrais-je, mais le principe est exactement le même. On force nos yeux à voir deux images distinctes – deux images qui correspondent à ce qu’ils auraient pu percevoir, indépendamment, depuis leur position sur notre visage. Et là encore, notre cerveau se convainc qu’il voit la scène en profondeur. Il y existe plein de techniques pour forcer chaque œil à voir une image différente, par exemple avec des lunettes anaglyphes (mais si, mais si, les filtres colorés…).

Toutefois, avec ces techniques, il faut que la scène que l’on montre soit filmée depuis deux points de vue différents, par deux caméras, et il faut diffuser les deux images. Mais sachez, chers curionautes, qu’il existe une technique qui permet de fabriquer un film en 3D avec une seule et bête caméra, sans retraitement d’image, rien.

Et c’est grâce à elle que (pour peu que vous vous munissiez d’une vieille lunettes de soleil) vous pourrez voir dans un instant les vidéos proposées ci-après en relief (et même, pour les plus gourmands, une séquence du Magazine de la santé, sur France 5, où j’ai présenté le phénomène le 13 octobre 2016 à l’occasion de la 25^ème Fête de la Science).

Tu bluffes

Non, je ne bluffe pas.

Pour expliquer ce miracle interneto-télévisuel, je vous invite à réaliser une rapide expérience. Fermez l’œil gauche. Faites-le vraiment ! Tendez un bras, pouce levé… levez l’autre main, vraiment plus près du visage, son pouce éclipsant celui de l’autre main… et maintenant, changez d’œil : il y a un décalage. Dans quelle direction est ce décalage ?

Je fais la réplique du curionaute : « Quand on regarde depuis l’œil gauche, le pouce le plus proche de moi semble s’être décalé vers la droite. » Et je lui répondrais : exactement [1]. Notez que plus les objets sont près de nous, plus le décalage perçu semble important. Cela se nomme la parallaxe. Souvenez-vous bien de ce phénomène, et ce décalage vers la droite ! On aurait besoin de cette notion dans… mettons… sept paragraphes. Comment ça, c’est long ?

Ce phénomène de parallaxe a de très nombreuses applications, parfois étonnantes. L’édition 2014 du festival de vulgarisation scientifique que je coordonne pour la ville de Vitry était largement consacrée à ce sujet, aussi je vous en touche deux-trois-quinze mots. Vous auriez tort de céder à votre impatience et de sauter les deux paragraphes qui viennent pour voir si j’honore vraiment ma promesse éditoriale, mais libre à vous, vous êtes de grandes filles, de grands garçons, de grands opossums, bref : vous êtes grands.

La parallaxe, c’est super cool

Typiquement, les astronomes utilisent le principe de la parallaxe pour mesurer la distance qui nous sépare des étoiles les plus proches. Comme la Terre tourne autour du Soleil, nous n’observons pas l’univers du même point de vue au fil des saisons. Une étoile proche (ici en jaune) semblera se décaler au fil des saisons par rapport à des étoiles très éloignées (ici représentées sur le même plan, ce qui n’est pas le cas dans la réalité). Plus le décalage mesuré est important, plus l’astre observé est proche ! En 1838, l’astronome allemand Friedrich Bessel a effectué la première mesure de la distance d’une étoile (l’étoile 61 Cygni) à l’aide de cette méthode. On est bien peu de choses, n’est-il pas ?

On peut aussi s’en servir pour évaluer très finement les distances [2] . On la simule couramment dans les dessins animés [3]. Et c’est grâce à ce phénomène que vous pouvez voir, sur ce blog, la Joconde en 3D.

Back to the 1920’s

Et maintenant, voyageons dans le temps, au début des années 20. Là, des astronomes qui utilisaient la parallaxe pour leurs travaux (AH ! VOUS ÊTES BIEN FEINTÉS D’AVOIR SAUTÉ DEUX PARAGRAPHES ! Remontez plus haut pour savoir le lien entre parallaxe et astronomie, petits fripons), des astronomes disais-je, ont constaté que pour avoir un relief correct en stéréoscopie, le couple d’images utilisé doivent avoir à peu près le même contraste, sinon quoi l’effet 3D apparaissait accentué [4]. Utilisant la stéréoscopie pour évaluer des distances de façon précise, ils sont très agacés. Ca les empêche de travailler proprement. Mais un physicien allemand spécialiste de l’optique, Carl Pulfrich, semble avoir eu vent de l’affaire, puisqu’en 1922 [5], il présente dans la revue Naturwissenschaften une série d’expériences sur des balanciers [6] qui mettent en lumière (si j’ose dire) ce fait étonnant : une image lumineuse est traitée plus rapidement par le cerveau qu’une image moins lumineuse.

Comme le démontreront ceux qui reproduiront ses expériences, en divisant par dix l’intensité perçue par la rétine, le délai de traitement est diminué de plusieurs dizaines millisecondes. Cela n’a l’air de rien, mais ça fait tout.

Car en obscurcissant l’un de nos yeux [7], par exemple en utilisant un verre de lunette de soleil, les images d’une même scène vont être traitées par notre cerveau en décalé.

Illustrons la chose en prenant cette scène de pêche aux canards (hum… il y a un petit souci de téléversement de la vidéo… je résoudrais peut-être un jour le problème… d’ici-là imaginez des canards qui vont de droite à gauche, ça fera très bien le job). À un instant, une image quitte l’écran, et arrive à nos yeux. L’image reçue de l’œil droit est traitée presque instantanément par le cerveau. L’image reçue de l’œil gauche étant assombrie, elle va être analysée – comme dit plus haut – avec un temps de retard. Une autre image est déjà arrivée sur l’écran ! Le signal issu de l’œil droit est alors traité… en même temps que celui envoyé plusieurs millisecondes avant, issu de l’œil gauche. Il y a un décalage ! Or, comme la scène est en mouvement vers la gauche, l’image traitée en retard par le cerveau issue de l’œil gauche, présentent tous les éléments de la scène un peu plus à droite… On retrouve notre parallaxe ! Le cerveau pense que l’œil gauche voit la scène d’un autre point de vue ! Et le cerveau fait ce qu’il fait toujours : il y a décalage, il crée du relief. Voilà, vous avez compris l’essence de l’effet Pulfrich. Sinon relisez le paragraphe en imaginant encore mieux mes petits canards, mes petits agneaux.

Dans ses expériences, les balanciers de Pulfrich qui oscillent dans un plan sont perçus comme effectuant un mouvement elliptique. Mais ce n’est pas flagrant pour tout les gens qui essaient de regarder des balanciers. Toutefois, il y a bien plus impressionnant, on va le voir dans un instant.

Notons que, dans sa publication de 1922, le père Pulfrich s’est étonné du fait que personne n’avait observé le phénomène auparavant, alors même que nombre de ses contemporains possédaient à demeure des horloges à balancier. Il faut croire qu’en termes de phénomènes physiques bluffant, l’essentiel est invisible pour les yeux, et que l’on ne voit bien qu’avec la démarche scientifique [8]. Enfin, pour la petite histoire (que j’ai un temps pris pour une légende ou un canular, mais qui semble avoir été confirmée par des médecins férus d’histoire des sciences [9] ), Carl Pulfrich n’aurait jamais pu découvrir ce phénomène tout seul, et n’a jamais pu l’expérimenter lui-même, puisqu’il était borgne. Ironique, n’est-il pas ?

Où vous voyez bien que non, je ne bluffe pas

Allez, assez de théorie, on va passer à la pratique : saisissez-vous d’une paire de lunettes de soleil, et faites sauter le verre droit (ou tenez-les de côté, en obscurcissant votre œil gauche, mais c’est moins confortable ; si vous avez fait sauter le verre gauche (rhâlala) j’ai aussi monté les images à l’envers, je suis vraiment trop gentil). Plus le verre et sombre, mieux c’est. Mettez-vous de l’écran, chaussez vos bésicles, et c’est parti ! Pour des images qui défilent vers la gauche, dont les éléments semblent « disparaître vers la gauche » et « apparaître par la droite », il faut porter le verre sombre à gauche… Il faut un peu temps pour voir apparaître la profondeur.

Vidéo à visionner avec le verre teinté côté gauche. S’il est du côté droit sur vos binocles, cliquez ici (on a le sens du service, sur curiologie.fr). Nos remerciements à Clémence André, du Jardin d’Acclimatation de Paris, pour nous avoir permis de filmer ces manèges et attractions qui rendent si bien justice à l’effet Pulfrich !

Cette technique marche avec toutes les scènes qui défilent vers la gauche (ou vers la droite si on inverse le sens des lunettes [10]). Mais vous l’aurez compris, car vous êtes vifs, ça ne marche plus si le mouvement s’arrête. On ne va pas faire un long métrage comme ça [11]. Ceci étant, si durant vos vacances vous avez filmé un paysage en train de défiler, par exemple en posant la caméra sur le côté d’un bateau, et bien vous pouvez ressortir ces films, et les redécouvrir en 3D grâce à vos lunettes ! Ça fonctionne avec toutes les images qui défilent continûment dans un sens.

Ci-dessus : une vidéo tournée depuis un bateau par Siddhart Goyal à Amsterdam en 2011, parfaite pour profiter de l’effet Pulfrich. À visionner avec le verre teinté côté gauche, là encore.

En farfouillant un peu sur la Toile, on découvre de nombreuses vidéos qui satisfont à nos critères pulfrichiens…

À visionner avec le verre teinté côté droit.

Baseball et sécurité routière

Sachez que cet effet découvert par Carl Pulfrich a intéressé beaucoup d’ophtalmologues et de neurologues depuis près d’un siècle. En effet, une différence de temps d’acheminement et/ou de traitement du signal lumineux vers/par le cerveau [12] peut être liée à certaines pathologies de l’œil ou du nerf optique. Il y a de nombreux cas documentés de perceptions spontanée du relief de scènes filmées en 2D par des personnes souffrant notamment de cataracte [13] ou dans des cas aigus de névrite optique [14] (y compris liés à l’émergence ou aux séquelles d’une sclérose en plaques [15]). D’autres pathologies sont concernées [16].

Ce n’est pas un phénomène aisé à quantifier [17], donc les médecins qui en ont entendu parler ne l’utilisent pas comme un critère diagnostique [18]. Mais certains neurologues demandent parfois si les patients ont des problèmes dans l’appréciation des distances d’objets en mouvement [19]. C’est loin d’être anodin : surestimer la distance d’un objet qui arrive vers vous un peu par la droite ou par la gauche peut entraîner des accidents. Il y a de nombreux cas documentés relatifs aux joueurs de squash [20] ou de baseball [21], qui manquent les balles à cause de ce satané effet Pulfrich … mais aussi des articles reliant le phénomène à des accidents de la route [22]. Bref, y’a pas de quoi faire les malins, avec vos lunettes cassées sur le bout du nez, mes amis. Mais une parade existe : faire porter aux victimes involontaires de l’effet Pulfrich un verre plus sombre du côté qui voit le mieux [23] !

Voilà, vous savez tout. Maintenant, c’est au tour de toutes les vieilles vidéos de vacances d’y passer ! Et de futurs films tournés (par les passagers, déconnez pas hein) au travers de la vitre de la voiture.

Florian Gouthière (@curiolog)

Notes et références

[1] Il paraît que c’est mon tic du langage du moment. Je ne vois pas exactement ce que l’on entend par là.

[2] Oh, des notes illustrées ! Hé oui, mes amis. Je vous présente le télémètre à parallaxe. Cet appareil ingénieux simule (à l’aide de miroirs) un écartement des yeux très important. Seuls les objets très éloignés sont nets. En réduisant l’écartement des miroirs, de nouveaux objets deviennent nets. Un objet situé à une distance donnée sera net pour un écartement donné. Cela permet d’utiliser cette machine pour évaluer les distances sans se déplacer !

[3] D’ingénieux ingénieurs ont créé d’époustouflantes machines pour parvenir à réaliser des effets de parallaxe réalistes. J’y reviendrais j’espère un jour dans d’autres billets, mais déjà que je suis bavard…

[4] The Historical Origin of the Pulfrich Effect: A Serendipitous Astronomic Observation at the Border of the Milky Way. A. Petzold. Neuro-Ophthalmology, 2009.doi:10.1080/01658100802590829

Peut-être exploré dans Some historical notes on Carl Pulfrich. S. Christianson et al. Am J Optom Arch Am Acad Optom, nov. 1972, mais je n’ai pas pu remettre la main dessus.

[5] Die Stereoskopie im Dienste der isochromen und heterochromen Photometrie. Pulfrich C. Naturwissenschaften, 1922. Si vous êtes plus à l’aise avec l’anglais qu’avec l’allemand, le contenu de l’article original est assez bien décrit sur ce site consacré au phénomène.

[6] Les expériences ont essentiellement consisté à décrire le phénomène perçu, mais Pulfrich va loin dans l’interprétation, et comme c’est un vrai crack en stéréoscopie, il vise juste.

[7] Ou en faisant entrer artificiellement plus de lumière dans l’autre, mais c’est quand même moins pratique pour nos ateliers curiologiques, avouons-le. Voir : The Pulfrich effect and its relationship to retinal illumination. M.S. Vaphiades, E. Eggenberger. J Neuroophthalmol, déc. 1997.

[8] Je vous dessinerais un mouton de Pulfrich à l’occasion.

[9] Description and clinical application of the Pulfrich effect. D.J. Lanska et al. Neurology, juin 2015. doi:10.1212/WNL.0000000000001646.

[10] En fait, la règle est simplissime : verre à gauche quand la scène disparaît par la gauche, verre à droite quand la scène disparaît par la droite.

[11] Cela a dû être tenté. D’autres que moi on porté la technique à l’écran de télé, y compris pour un épisode hors série du Dr Who (je sais qu’il y a des amateurs parmi vous). J’ai ouï dire (mais n’ai pu confirmer) que certains films érotiques bon marché avaient été tourné avec ce procédé. Pour le coup, je me demande dans quelle mesure la fameuse pin up « éphéméride » de Canal + (les plus vieux comprendrons, pour les autres faites semblant), qui tournait sur son podium, n’est pas un lointain écho de ces métrages à vocation pulfrichienne. Si vous en savez plus, les commentaires vous sont ouverts, vous savez bien.

[12] Savoir exactement où se joue le problème dans le traitement du signal est encore l’objet de débat. J’ai retrouvé des articles assez anciens proposant diverses hypothèses (par exemple : Theory of the Pulfrich effect. R.A. Weale, Ophthalmologica, 1954). Au début des années 2000, des recherches ont exploré des pistes du côté des neurones, pistes remises en questions par d’autres travaux… Si le sujet vous passionne, et ce serait bien légitime, vous pouvez vous référer aux articles suivants :

• Joint-encoding of motion and depth by visual cortical neurons: neural basis of the Pulfrich. A. Anzai et al. Nat Neurosci, mai 2001
• The stroboscopic Pulfrich effect is not evidence for the joint encoding of motion and depth. C. Read & B.G. Cumming. J Vis, mai. 2005
• All Pulfrich-like illusions can be explained without joint encoding of motion and disparity. C. Read & B.G. Cumming. J Vis, déc. 2005
• Pulfrich phenomena are coded effectively by a joint motion-disparity process. Qian & Freeman. J Vis, mai 2009.

[13] Voir : Pulfrich’s phenomenon in unilateral cataract. S.M. Scotcher et al. Br J Ophthalmol, 1997. doi:10.1136/bjo.81.12.1050

[14] Notamment :

• Visual parameters associated with recovered retrobulbar optic neuritis. R.M. Burde & P.F. Gallin. Am J Ophthalmol, juin 1975 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1136991
• Pulfrich pendulum phenomenon in patients with a history of acute optic neuritis.E. Slagsvold. Acta Ophthalmol (Copenh), oct. 1978. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/696267
• An unusual presentation of optic neuritis and the Pulfrich M. O’Doherty & D.I. Flitcroft. J Neurol Neurosurg Psychiatry, août 2007 doi:10.1136/jnnp.2006.094771 (apparemment repris sans modification en 2009 dans BMJ Case Rep. 2009. doi:10.1136/bcr.08.2008.0647., y en a qui savent gonfler leur taux de citation…)
• Pulfrich’s phenomenon in optic nerve hypoplasia. Heron, et al. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 2008.

[15] Voir : Use of the Pulfrich pendulum for detecting abnormal delay in the visual pathway in multiple sclerosis. D. Rushton Brain, janv. 1975 doi:10.1093/brain/98.2.283

[16] Voir :

• The Pulfrich effect in anisometropic amblyopia and strabismus. Tredici TD, von Noorden GK. Am J Ophthalmol. 1984
• The Pulfrich effect in anisometropic amblyopia and strabismus. Weale RA. Am J Ophthalmol, 1985.
• Management of the Pulfrich phenomenon secondary to pigmentary glaucoma.T. Tong et al. Optometry, fév. 2001.

[17] L’idée a toutefois été avancée (voir notamment : The Pulfrich stereo-illusion as an index of optic nerve dysfunction. S. Sokol Surv Ophthalmol, mai 1976).

Diverses techniques pour objectiver et quantifier le phénomène ont été proposées. Voir :

• Diagnostic uses of the Pulfrich L. Frisen et al. Lancet, août 1973
• A simple apparatus for measuring the Pulfrich R.A. Weale, J Physiol, mai 1954.
• The rotating Pulfrich effect, and a new method of determining visual latency differences. Nickalls RW. Vision Res. 1986
• Measurement of Interocular delays with Dynamic Random-Dot stereograms. Deihl Rolf Eur. Arch. Psychiatry Clin. Neurosci, 1991
• Computer-based test to quantify the Pulfrich Stadelmann R, Jiang X, Mojon DS. Ophthalmologica. 2009. doi: 10.1159/00022713

[18] Selon Catherine Vignal, ophtalmologue à la fondation A. De Rotschild interrogée pour préparer ce billet, le phénomène est connu vieux briscards de sa profession, qui investiguent systématiquement en ce sens lorsqu’un patient rapporte un trouble dans l’évaluation des distances.

[19] Voir :

• The Pulfrich effect in the clinic. Heng & G.N. Dutton Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol, juin 2011. doi:10.1007/s00417-011-1689-6.
• Description and clinical application of the Pulfrich effect.J. Lanska et al. Neurology, juin 2015. doi:10.1212/WNL.0000000000001646. (déjà cité dans une note précédente, mais au moins vous ne perdez pas vos petits en chemin)

[20] An unusual presentation of optic neuritis and the Pulfrich phenomenon. M. O’Doherty & D.I. Flitcroft. J Neurol Neurosurg Psychiatry. août 2007. doi:10.1136/jnnp.2006.094771, déjà cité plus haut.

[21] Voir :

• Stereophotometric testing for Pulfrich’s phenomenon in professional baseball A.J. Hofeldt et al. Percept Mot Skills, oct. 1993
• Baseball hitting, binocular vision, and the Pulfrich A.J. Hofeldt et al. Arch Ophthalmol, déc. 1996
• Motion stereoscopic vision, the Pulfrich phenomenon, and baseball D.M. Laby et al. Arch Ophthalmol, août 1997
• Baseball hitting and the Pulfrich phenomenon: could it be due to traumatic optic neuropathy ? N. Dutton et al. Arch Ophthalmol, oct. 1997.

[22] Voir notamment :

• Influence of the Pulfrich phenomenon on driving performance. Breyer et al. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol, déc. 2006
• Impaired perception of moving objects after minor injuries to the eye and midface: the Pulfrich E.B. Larkin et al. Br J Oral Maxillofac Surg, déc 1994.

J’ai trouvé une mention d’un article allemand de 1963, publié dans la revue allemande Klinische Monatsblatter fur Augenheilkunde, signé par B. Gramberg-Danielsen, et dont le titre doit être quelque chose comme « Ursachen des Pulfrich-Phänomens und seine Bedeutung für den Straßenverkehr ». Mais je ne garantis rien, je n’ai pas pu mettre la main dessus. Le cas échéant, faites tourner.

[23] Voir notamment : The Pulfrich phenomenon and its alleviation with a neutral density filter. G. Heron & G.N. Dutton. Br J Ophthalmol, déc 1989. Il me semble avoir trouvé des mentions plus anciennes et plus récentes de cette stratégie, surpris qu’elle soit redécouverte plusieurs fois au fil des décennies, mais je n’ai pas les références sous la main pour digresser plus sur cette surprise.