I -Etat de l’art/ Notre Projet
A- Image de synthèse
- Définition
Les images de synthèse sont des images créées sur un ordinateur à partir d’une maquette numérique en trois dimensions. Elles sont donc au départ de nature numérique. La synthèse d’image est une des disciplines de l’infographie. Elles peuvent être des images fixes ou animées, interactives ou non interactives.
Aujourd’hui, les images de synthèse nous permettent d’illustrer la réalité mais aussi l’imaginaire, de créer des représentations de mondes fictifs. Ce sont donc des représentations (sous forme d’image) d’objets ou de décors inspirés du monde réel qui sont difficiles à reproduire avec les techniques traditionnelles ; soit des créations de personnages ou objets fantaisistes soit des décors imaginaires. Elles sont construites sur un plan en trois dimensions (c’est-à-dire qu’elles ne sont pas pensées sur une surface mais dans un volume).
Cette technique est souvent utilisée dans le cinéma pour la réalisation de trucages par exemple, ou encore pour éviter de dépenser trop sur certains décors (exemple : Maquette dans les premiers Star Wars).
- Histoire
L’histoire de l’image de synthèse est indissociable du développement de l’informatique.
- En 1963, au MIT (Massachusettes Institute of Technology), Ivan Sutherland met au point le premier logiciel graphique interactif utilisant un stylo optique pour dessiner sur écran des schémas techniques ainsi qu’un tube cathodique*. On pratiquait alors de l’image 2D, puis de l’image 3D qui est plus coûteuse en temps de calcul et en argent.
- Mais c’est à partir des années 1990 que l’image de synthèse et la 3D se développent vraiment, avec notamment l’arrivée d’ordinateurs plus puissants et de consoles de jeux vidéo plus performantes qui permettent l’utilisation d’images dans les jeux en temps réel et en trois dimensions (Playstation, Dreamcast…), ainsi que d’images de synthèse.
On remarque ainsi le parallélisme entre l’évolution de l’informatique et celui du traitement d’imagerie par ordinateur. Durant ces quarante dernières années le secteur de l’informatique a subi d’énormes modifications dues aux progrès technologiques qui ont enfin permis la création d’images de synthèse.
B- Motion Capture
- Définition
La Motion Capture* en général permet de faire correspondre les mouvements d’une entité réelle à une entité virtuelle*.
La Motion Capture permet la captation de mouvements, cependant elle se divise en trois grandes parties : Captation mécanique, magnétique, ou optique.
1- La Motion Capture Magnétique
Ce procédé, non utilisé au cinéma de nos jours en raison de son coup très élevé, est basé sur l’émission et la réception de signaux magnétiques traités par ordinateur pour récréer un squelette de l’objet.
Les émetteurs se trouvent dans une pièce et envoient des signaux magnétiques vers les récepteurs se trouvant sur l’objet mobile.
Ce système ne fonctionne que dans un espace à l’écart des ondes magnétiques de l’environnement. Ce système est utilisable dans un espace allant de 3 à 15 mètres.
2- La Motion Capture Mécanique
Ce procédé est basé sur l’utilisation d’exosquelette* ayant aux articulations des potentiomètres* permettant de repérer la place de l’armure dans l’espace. Une nouvelle fois, ce système est traité par ordinateur et recrée un squelette virtuel qui est utilisé pour l’animation.
Ce type de Motion Capture est plus répandu que la Motion Capture Magnétique car l’exosquelette est utilisable sur près de 300 mètres, il est donc possible de jouer en plein air, et non dans une petite salle. Cependant cela reste relativement coûteux car la création de l’exosquelette requiert une grande précision et une technologie avancée.
3- La Motion Capture Optique
- Définition
Le principe de ce procédé est basé sur la captation de mouvements grâce à une caméra d’un acteur réel pour les appliquer ensuite au modèle virtuel : les mouvements sont donc enregistrés et restitués en temps réel dans les système d’exploitation.
Dans le cadre de notre TPE, nous étudierons la Motion Capture Optique puisqu’elle est utilisée dans Avatar.
Comment ça marche ?
La différence entre une prise de vue normale et une motion capture est l’intervention de l’ordinateur qui traite des données envoyées par une caméra spéciale. Pour la Motion Capture optique, il faut se trouver dans une salle où se trouvent des caméras vidéo. L’acteur est revêtu d’une combinaison noire (voir 1) où se trouvent un ensemble de boules blanches qui représentent toutes les articulations du corps, nécessaires à la représentation du squelette du corps.
Ensuite les caméras situées dans la pièce, sont réglées par contraste afin de « voir » uniquement les boules blanches. Une fois la scène créée et la vue prise, l’ensemble des données est traité sur l’ordinateur et grâce à un système de traitement, le squelette du corps (voir 2 et 3) de l’acteur est alors créé.
Enfin, après la création du squelette, « la chair » est ajoutée afin de créer le personnage final.
- La motion capture du visage
Avant que James Cameron révolutionne ce système, le principe était d’enregistrer les mouvements du visage comme ceux du corps. Le réalisateur faisait en sorte de placer une centaine de petites sphères en plastique sur le visage pour enregistrer les expressions de l’acteur. Cependant les sphères ne permettaient pas la restitution de tout les mouvements subtils de la surface de la peau, en effet, il est impossible de placer des sphères sur les paupières pour récréer un battement de cils, ni de les placer sur les sourcils pour accentuer un sentiment tel que l’énervement ou l’étonnement, de même pour les lèvres, qui empêchent donc la reproduction complète d’un sourire. De plus, les billes finissaient par tomber à cause des différents mouvements qu’elles subissaient. Ainsi, l’ordinateur qui devient soudain privé de ses repères créait alors des visages déformés et donc inutilisables dans le cinéma. La perte d’information est relativement importante, puisque la déperdition s’élève à près de 50%. Malgré l’aide de nombreux animateurs et de leurs retouches, qui arrivent à compenser ce problème en recréant la partie déformée du visage, le visage du modèle vivant et le visage virtuel sont très différents, et le clone manque alors de naturel.
C- Cinéma et animation en relief
Le cinéma 3D est apparu dans les années 1950 suite à la concurrence grandissante de la télévision. On utilisait alors un procédé dit « d’anaglyphes* ». Cela consistait en deux images, teintées l’une en rouge, l’autre en cyan, qui étaient imprimées sur la même pellicule. Des lunettes spéciales permettaient de voir les images. En effet, le principe même de la 3D est d’avoir la même image filmée de deux points de vue différents. Chaque œil reçoit les images qui lui sont destinées, dans le cas de l’anaglyphe, par un système de filtres d’acétate colorés. Cette technique n’a pas eu un succès immédiat car elle imposait de trop grands efforts au cerveau et causait des migraines aux spectateurs.
L’anaglyphe est une technique relativement simple qui est accessible à tous. Un logiciel tel que Stereophoto maker ou Anabuilder permet à partir de deux images, ou deux photos prises de deux point de vues différents, de les transformer pour les voir avec des lunettes à filtres rouge et cyan. Stereophoto maker permet également de donner des effets de relief grâce aux apparitions simultanées des deux vues. Les deux points de vues doivent avoir un espacement égal à l’écartement des yeux soit environ 7 cm. La meilleure technique pour faire les prises de vue est d’utiliser un appareil photo à deux objectifs. Les deux images nécessitent souvent d’être retravaillées, principalement au niveau de la luminosité qui doit être identique.
Le relief dans le septième art a beaucoup évolué depuis, on compte aujourd’hui plusieurs techniques notamment une créée par James Cameron en 1996 pour le parc d’attraction Universal Studio. Les spectateurs sont face à trois écrans qui occupent toute la vision des spectateurs. Six projecteurs diffusent six points de vue différents de la même scène pour augmenter le réalisme. Les images en relief donnent dans ce cas l’effet d’entourer le spectateur. Cette technique est pour le moment exclusive aux parcs d’attraction car elle nécessite beaucoup de place.
C’est en suivant la même idée d’utilisation des filtres de couleurs, que le système « passif » RealD a été créé. C’est un système complexe où chaque œil reçoit une image dont les ondes lumineuses ne peuvent être perçues que par celui-ci grâce à des filtres polarisés.
Une technique plus récente est née en 2008 : c’est l’Imax 3D. C’est un procédé coûteux car l’équipement est très spécial. Le projecteur diffusant le film possède deux lentilles, à travers lesquelles passent deux pellicules différentes. Un obturateur fait alterner sur l’écran les images de chaque bande. Les lunettes des spectateurs sont équipées de verres à cristaux liquides synchronisés par signal infrarouge. Successivement, le verre droit devient opaque et le verre gauche transparent puis l’inverse se produit à un rythme de 96 fois par seconde.
Jeffrey Katzenberg, le directeur d’animation chez Dreamworks, parle de la 3D numérique comme « la troisième révolution du cinéma après l’arrivée du parlant et celle de la couleur ».
Exemple d’image en relief par technique d’anaglyphe :
Dans notre expérience, l’image rendue en relief est une photo. Quelque soit l’image choisie, la première étape est d’avoir le même objet pris deux fois. Pour une photo, la distance entre les deux points de vue doit être égale à 1/100ème de la distance entre l’appareil photo et l’objet pris. L’objet étant à un mètre de l’appareil, nous avons déplacé l’appareil d’environ un centimètre vers la droite. Les deux photos sont ensuite ouvertes avec Stereophoto maker. Celui-ci filtre les images, cyan pour l’œil droit et rouge pour le gauche, et les rassemble par transparence. L’image créée peut alors être vue avec des lunettes avec filtres. Le rendu relief est généralement plus efficace lorsqu’ un objet précis est photographié et que ce dernier est au centre de l’image. Le rendu relief est donc plus difficile à réaliser dans le cas de photos de forêt et est relativement correct pour, par exemple, une salle de classe, grâce aux formes rectangulaires (tables, chaises, tableau, …).
Aujourd’hui, le relief n’est plus exclusif au cinéma. Cette technique s’est récemment développée pour être utilisée sur la télévision mais également dans les consoles de jeux telles que la toute nouvelle Nintendo 3DS qui est déjà considérée comme une révolution dans le monde du jeu vidéo.
II- Avatar et James Cameron
A- Avatar, le film
Le mot Avatar vient du nom d’un dieu hindou qui venait se promener sur terre sous la forme d’un humain. Dans le film, les humains se retrouvent dans la position de dieux qui peuvent eux aussi prendre possession d’un corps, l’animer, et ressentir tout ce qu’ils ressentent.
a) Synopsis du film :
C’est l’histoire d’un ancien Marine paraplégique recruté pour aller sur Pandora, où un grand groupe industriel exploite un minerai très rare. L’atmosphère y est toxique, c’est pourquoi ils ont créé des Avatars, qui sont des corps biologiques commandés à distance et liés à l’esprit d’un humain. Ce sont des hybrides créés génétiquement en croisant l’ADN humain avec celui des Na’vi, les autochtones de Pandora. Jake est ainsi transformé en Na’vi avec quelques autres cobayes, ce qui lui permet de marcher à nouveau. Sa mission est de s’infiltrer auprès des Na’vi et également de se mêler à eux afin de comprendre leur fonctionnement mais également de gagner leur confiance. C’est ainsi qu’il fait la connaissance de Neytiri, une Na’vi qui va lui sauver la vie et l’introduira auprès des siens. Une histoire d’amour en découlera et Jake trouvera sa place parmi les Na’vi.
b) Son succès dans le monde :
Avatar a remporté un immense succès à travers le monde entier. Sa réussite est en partie due aux innovations 3D qui ont en effet coûté plus de 300 millions de dollars, ce qui en fait le film le plus cher jamais réalisé. Il est vrai que malgré son histoire assez prosaïque, les images en relief restent magnifiques. Ce film est destiné à toutes sortes de spectateurs. James Cameron, réalisateur et producteur, a travaillé 11 ans sur le projet avant de pouvoir enfin le concrétiser et le faire sortir en salles.
Avatar est le film qui a rapporté le plus de profit. Sa recette dépasse les deux milliards de dollars soit près de 1.5 milliards d’euros. Au bout de 17 jours le film a totalisé un milliard de profits, dont 670 millions aux Etats-Unis et au Canada et 330 millions dans le reste du monde. Avatar est également devenu le film le plus piraté du monde : 500 000 copies ont été téléchargées illégalement dans les quarante-huit heures suivant sa sortie.
B- James Cameron, le réalisateur
James Cameron, à la fois producteur et réalisateur, est l’une des figures emblématiques du cinéma contemporain. Il est né le 16 août 1954 à Kapuskasing en Ontario au Canada. Il a d’ailleurs grandi près des chutes du Niagara.
En 1971, il s’installe à Brea, en Californie, où il étudie la physique à l’université de Fullerton, ce qui ne l’a pas empêché de travailler comme machiniste puis comme conducteur de poids lourds à côté. En 1978, il souhaite se lancer dans une carrière cinématographique et parvient à rassembler auprès d’un groupe de dentistes l’argent nécessaire à la production d’un court-métrage. Il en sera le producteur, le réalisateur, le coscénariste, le monteur, le constructeur des maquettes, le directeur de la photo ainsi que le superviseur des effets spéciaux. Son travail sur ce film lui permet d’obtenir un poste chez New World Pictures, la société de Roger Corman, et d’être embauché sur le film « Battle Beyond the Stars » où il aura plusieurs rôles.
Cameron parvient ensuite à se faire embaucher comme réalisateur de seconde équipe sur « Galaxy of Terror », toujours de Corman. C’est ce qui décidera James Cameron à en faire son métier. Il écrit alors son propre scénario et décide de le réaliser lui-même. Ce sera celui de « Terminator », un succès international qui l’envoie au premier rang des scénaristes et réalisateurs mondiaux.
Depuis James Cameron a été le scénariste, le producteur et le réalisateur de films tels que « Aliens le retour », « Abyss », « Point Break », « Extreme limite», « Terminator 2 : le jugement dernier », « True lies », « Le Caméléon » et bien sur « Titanic », qui détenait le record du box-office international et a rapporté plus de 1,8 milliards de dollars.
James Cameron est également un passionné de l’exploration et de la découverte, c’est pourquoi il souhaite se consacrer aussi à l’étude de l’un des prochains grands pas en avant dans l’exploration de l’espace : Mars. Il prépare donc une mini-série sur Mars et il projette aussi de réaliser un film révolutionnaire pour l’instant appelé « Mars Imax 3D ». Il s’est engagé auprès des scientifiques pour que ce film soit le plus proche de ce qu’ils auront découvert quand l’homme ira sur Mars. Il tient grâce à tout cela, à préparer le public à un éventuel départ d’astronautes pour Mars.
Au cours de ces dernières années, James Cameron s’est également intéressé à d’autres domaines que le cinéma, notamment avec la série « Dark Angel », qui a remporté le « People’s Choice Award » de la meilleure nouvelle série télévisée.
III- Solutions choisies par J. Cameron
A- Images de synthèses
1- Pourquoi avoir utilisé la Motion Capture ?
La Motion Capture pour James Cameron
La technologie utilisée par le réalisateur d’Avatar, atteint des performances jusqu’alors inégalées.
En effet, James Cameron révolutionne cette technique en filmant lui-même la scène avec une caméra adaptée a la Motion Capture. Tout d’abord, l’acteur enfile la tenue de lycra où se trouvent les nombreuses sphères blanches et porte également une caméra HD (voir « comment la caméra fonctionne ? »). Tout autour du plateau de tournage sont installées près de 30 caméras vidéo, dont les objectifs sont entourés d’une double rangée de LED, projetant une lumière infrarouge. Cette lumière rebondit sur les petites boules blanches et est renvoyée aux caméras qui ont été programmées uniquement pour « voir » les points lumineux qui apparaissent blancs tandis que le reste de l’image est noir. Les données sont alors traitées par ordinateur qui crée le squelette. Dans le même temps, James Cameron filme la scène sur son plateau. Les images qui ont été créées par l’ordinateur sont envoyées dans la caméra de James Cameron qui voit alors la silhouette en 3D du Na’vi. Ainsi le moindre geste de l’acteur est d’abord retranscrit par l’ordinateur puis la caméra du réalisateur permet de voir le personnage comme il sera dans le film. Un second ordinateur dans lequel sont stockés les décors virtuels vient enrichir les images tournées en direct. Pour que ces nombreux calculs prennent moins de temps, les images envoyées à la caméra sont simplifiées et envoyées en basse résolution. Mais elles permettent néanmoins de bien visualiser la scène. Le logiciel qui envoie les images 3D dans le viseur de la caméra permet d’obtenir des « prises sur le vif » car l’équipe de James Cameron a ajouté un système qui permet de repérer la caméra dans l’espace. Ainsi dès que l’angle de vue change, le Na’vi et le décor bougent avec le réalisateur.
Une invention de James Cameron pour filmer les émotions des acteurs
Avant, le réalisateur d’un film en image de synthèse qui voulait filmer à 100% le jeu de ses acteurs, devait coller une centaine de petites sphères en plastiques blanches sur leurs visages afin d’enregistrer leurs expressions. Cependant, nous avons vu que cette technique comportait quelques défauts.
James Cameron voulait lui aussi filmer entièrement le jeu de ses acteurs, mais au lieu de prendre comme repère la centaine de sphères, il a pris en compte les milliers de détails du visage de l’acteur (pores, rides, boutons…) en filmant directement grâce à une caméra qui se situe à quelques centimètres du visage. Les prises de vues ont été réalisées afin d’enregistrer une gamme d’expressions,expressions qui sont ensuite adaptées au personnage.
Sur l’affiche du film, on voit bien que le visage de l’acteur est quasiment reproduit à l’identique dans son Na’vi.
Comment la caméra fonctionne ?
1) La caméra haute définition située à quelques centimètres enregistre les émotions de l’acteur.
2) La caméra compare le visage de l’acteur au repos à l’expression de l’acteur durant la scène.
3) La caméra et le logiciel détectent la différence entre une émotion et le visage au repos, ici, la différence entre un sourire et le visage au repos.
4) Le logiciel calcule la différence entre les différents points de repères.
5) Le logiciel replace les points en fonction du visage de l’acteur.
6) Puis les restitue au visage du Na’vi.
2- Images de synthèse par James Cameron
Sur les 160 minutes du film, 117 minutes sont de pures créations infographiques : le décor, la végétation, les accessoires, les personnages, tout a été créé par ordinateur, en images de synthèse et images 3D. De plus, on ne ressent aucune transition entre les images virtuelles et les images réelles ce qui fait un énorme plus pour ce film.
La plupart des images du film sont inspirées d’images réelles. En effet, ce sont à la base de vraies photographies. Par exemple, les montagnes flottantes, l’un des éléments les plus spectaculaires du film, étaient premièrement une photographie de la formation rocheuse d’une montagne chinoise : « South Sky Pillar » prise par un des membres de l’équipe de production. Suite à ces photographies, Rob Stromberg a réalisé un croquis qu’il a ensuite proposé à James Cameron. Ce croquis aura ensuite servi de référence à tous les illustrateurs du film. Rob a ainsi conçu les effets visuels et l’aspect des environnements de la planète Pandora.
Beaucoup de décors ont eux été construits en vrai comme le laboratoire de biologie ou encore la cafétéria. En revanche, la plupart des vues de la forteresse militaire ou encore la salle d’armurerie par exemple sont réalisées en 3D, et les acteurs ont été filmés sur un fond vert pour ensuite être intégrés devant au montage. La salle où les hommes sont en lien avec leurs avatars a elle été construite en vrai aux deux tiers, et le reste complété en images de synthèse.
Un outil révolutionnaire, la Simul Cam, utilisée sur le tournage d’Avatar, a permis à James Cameron d’intégrer en temps réel les personnages filmés en prises de vues réelles avec les décors en images de synthèse, créées auparavant. Il peut ainsi voir les images tournées dans le monde réel, superposées aux éléments créés en images de synthèse sur la « Caméra Fusion » ou « Camera Virtuelle ». Sur le tournage il peut donc ainsi tout modifier, telle que la perspective par exemple.
Les acteurs pouvaient ainsi visualiser directement la scène qu’ils venaient de tourner à l’instant, ce qui les aidait considérablement.
Les costumes du film sont un des éléments importants de la culture des Na’vi. Ils ont étés créés par Deborah Lynn Scott et Mayes C. Rubeo. C’est pourquoi, malgré le fait que la majorité des accessoires aient été portés par des personnages en images de synthèse, ils ont été fabriqués réellement pour mieux visualiser la texture des vêtements.
B- Un film en relief
La 3D RELIEF FUSION
Si Avatar a été un succès planétaire et a révolutionné le cinéma, ce n’est pas que grâce à une histoire fantastique-écologique ou à des images de synthèse surréalistes. Avatar est également une grande avancée pour le cinéma en relief. James Cameron a effectivement « tourné » le film en relief et cela grâce à une nouvelle caméra, mise au point spécialement pour le film.
La Relief Fusion est conçue pour faciliter le travail des yeux. Les objectifs peuvent en effet tourner pour changer la convergence. Ce phénomène peut être montré par l’exemple suivant : lorsqu’on regarde un objet éloigné, les yeux regardent en parallèle (1) alors que si l’objet est proche, les yeux louchent pour que l’objet soit net (2). La Relief Fusion joue ce rôle, les objectifs sont parallèles quand l’objet est éloigné ou dans le cas d’un panorama ou plan d’ensemble (3), alors que les objectifs convergent* si l’objet est proche de la caméra (4). Les anciennes caméras 3D ne permettaient pas de faire tourner les objectifs, les spectateurs devaient donc loucher pour voir les images où l’objet filmé était proche (5).
Avec ce système, le relief est beaucoup plus agréable pour les yeux. Le spectateur s’occupe moins de ses lunettes et se concentre sur le film. Les magnifiques plans des montagnes flottantes par exemple donnaient des effets spectaculaires que le spectateur a pu pleinement contempler et apprécier sans le moindre effort visuel. Cela a aussi contribué au succès du film car certaines personnes ne supportaient pas l’ancien système.
Néanmoins, cette caméra qui semble si parfaite possède quelques défauts. Premièrement, la convergence des objectifs a tendance à rendre flou certaines zones de l’image, notamment celles les plus éloignés du point fixé par les objectifs. Le spectateur regarde donc ce que le réalisateur veut qu’il regarde. Le deuxième défaut, que l’on retrouve souvent dans le relief, est que les lunettes utilisées dans la majorité des salles provoquent une baisse de luminosité visible. Le dernier point est que si certaines scènes ont un réalisme impressionnant, quelques autres semblent sorties tout droit d’un jeu vidéo.
