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Le traitement de la lumière dans le cinéma et les principes de l’éclairage en studio

Le traitement de l’image visuel passe avant tout par l’étude de la lumière, et de ses caractéristiques. Cette physique est mise au service de la technologie de la caméra et des appareils photos ; le but principal étant de former l’image respectant le plus fidèlement la netteté et les couleurs perceptibles dans la réalité.

I. Définitions et notions importantes

1. La lumière

Le spectre du visible est une petite fraction du spectre des radiations électromagnétiques, la lumière peut être appréhendée d’un point de vue corpusculaire ou ondulatoire ; Chaque radiation est caractérisée par une longueur d’onde (lambda) et une fréquence d’oscillation (f). Les radiations perceptibles par l’œil sont celles dont la fréquence est comprise entre 7,9*10^14 hertz et 3,85*10^14 hertz. La plupart des sources de lumières délivrent un mélange complexe de plusieurs radiations monochromatiques : on parle alors de lumière poly chromatique. : C’est l’amplitude relative de chacune de ces radiations qui détermine la dominante colorée observée. Chaque radiation caractérisée par une longueur d’onde, donne une couleur pure. Mais la plupart des couleurs visibles sont composées d’un mélange de plusieurs couleurs pures.

Les sources de lumières :
On distingue les objets lumineux par eux-mêmes(en générale les sources chaudes qui émettent de la lumière du fait de leur température élevée) et les objets éclairés. Les objets éclairés ne réfléchissent qu’une partie plus ou moins importante de la lumière qu’ils reçoivent, ses rayons réfléchis nous renseignent sur la couleur des objets (les autres rayons étant absorbés). Le système optique de tout équipement de prise de vue répond à des rayons lumineux réfléchis. ( indiquant l’indice de réflexion ; c'est-à-dire le pourcentage de l’énergie lumineuse incidente frappant l’objet ; de certains matériaux.)
Voir figure 6

La camera et l’œil, quelle différence ?

Notre cerveau se charge d’intégrer les différences de températures de couleur des sources lumineuses en effectuant la transposition adéquate lorsque nous passons par exemple d’une pièce éclairée par une ampoule à une zone ensoleillée. Contrairement à la caméra qui ne s’adapte pas toute seule : elle capte l’image qu’elle reçoit et la traite en fonction de ses préréglages. Pour que la caméra restitue fidèlement les couleurs de la scène cadrée sans y ajouter de dominante ; elle doit être étalonnée en colorimétrie en fonction de la température de couleur de la lumière ambiante.
Voir Figure 5

2. L’objectif de la caméra

C’est un système optique convergent formé de plusieurs lentilles (exemple schématique d’un téléobjectif grossissant) ; donnant des images réelles sur la surface sensible de l’appareil photographique ou la caméra. Un objectif se caractérise par sa distance focale, son ouverture relative et son angle de champ.
Voir Figure 10

a. La distance focale

C’est la distance entre le centre optique O de la lentille et un des deux foyers de celle-ci (foyer image ou objet ; une lentille convergente fait converger les rayons incidents venant de l’infini en un point unique, appelé « foyer image de la lentille »). Plus la lentille est convergente, plus de foyer image F’ est proche de la lentille. Suivant la distance de l’objet à l’objectif ; la distance de formation d’une image nette de cet objet en aval varie également. Ce phénomène fait intervenir la notion de mise au point. On peut voir une distance focale schématique (distance OF1’, sur la lentille L1 de la figure 10).
La focalisation :
En optique, la focalisation est l’opération qui consiste à concentrer des rayons provenant d’un point en un autre point. Lorsque l'on est très loin de l'objet observé cela revient à concentrer les rayons parallèles entre eux en un même point. Ceci se fait soit à l'aide de miroirs, soit à l'aide de lentilles.

b. La mise au point

Une lentille convergente forme une image réelle renversée d’un objet lorsque sa distance à la lentille est supérieure à la distance focale ; A chaque position de l’objet filmé correspond une position de son image nette
Propriétés :
1/ Si l’objet se rapproche de la lentille son image s’éloigne du foyer F’ et s’agrandit et réciproquement. L’image et l’objet se déplacent toujours dans le même sens.

De ce fait, si l’objet se rapproche de la caméra, le système optique de l’objectif se déplace sur son axe dans le sens opposé à l’objet et inversement, afin que son image se forme toujours nette sur le même plan sinon l’image apparaît floue.
D’autant plus que dans tout équipement de prise de vue, le plan de la surface réceptrice de l’image (capteur CCD ou pellicule) est fixe.
Il faut donc régler la position de la lentille (distance par rapport à la surface réceptrice), pour former une image nette(en fonction de la distance de l’objet par rapport à l’objectif.

c. L'angle de champ

Il s’agit de la portion d’espace, ou plage angulaire de la scène réelle que peut capter l’objectif. Il est liée à la distance focale et aux dimensions de la surface sensible (capteur CCD ou autre). L’angle de champs est le même à l’avant et à l’arrière de l’objectif.
Voir Figure 11

d. Le diaphragme

Assemblage de lamelles mobiles (6, 8, 10) suivant la taille de l’objectif, à l’intérieur de l’objectif entre les groupes de lentilles avant et arrières.
Un mécanisme qui fait varier le diamètre de l’objectif et modifie la quantité de lumière qui atteint la surface sensible. Dans une pièce obscure ou la nuit la diaphragme d’une caméra bien réglée sera plus ouvert, que pour filmer une image en plein soleil .Le diaphragme sert à exposer au maximum les capteurs photosensibles de la caméra à la lumière ou au contraire à protéger ses dernier d’un excès de luminosité, ce qui altérerais la qualité de l’image.(phénomène d’aliasing).
Voir Figure 12

II. L’éclairage en studio sur un plateau de cinéma ou de télévision

Un plateau de télévision bien éclairé ne se résume pas à un lieu dans lequel les éléments placés dans le champ d’une caméra sont visibles. L’éclairage en studio repose sur une fusion subtile de considérations techniques artistiques et pratiques, faisant appel au savoir faire du directeur de la photographie et des éclairagistes sur le plateau, et de l’ingénieur de la vision en régie.

Notions de bases pour mieux comprendre l’éclairage en studio :

1. La température de couleur

C’est une grandeur physique dont l’unité de mesure est le Kelvin, qui détermine la température d’une source de lumière à partir de sa couleur. La couleur d’une source lumineuse est comparée à celle d’un corps noir théorique chauffé entre 2000 K et 10000 K Qui aurait ; dans le domaine du visible un spectre d’émission similaire à la couleur considérée.
L’indice de rendu des couleurs :
Capacité d’une source de lumière à restituer les différentes couleurs du spectre visible sans en modifier les teintes(en calorimétrie c’est la longueur d’onde dominante de la couleur considérée (parmi les 6 couleurs primaires).L’indice de rendu des couleurs noté « Ra », varie entre 0 et 100 .L’indice maximum de 100 correspond à la lumière du jour. A l’écran, une reproduction fidèle des couleurs impose que l’indice Ra soit supérieur à 85.

2. Les grandeurs photométriques : (pour quantifier et mesurer la lumière)

a. Le flux lumineux

Quantité globale de lumière émise par une source lumineuse (émettrice ou éclairée d’une lumière) dans toutes les directions. Son unité est le lumen (lm).

b. L’intensité lumineuse

Flux lumineux transmis uniformément dans un cône d’angle solide (analogue tridimensionnel de l’angle plan ou bidimensionnel) unitaire et dans une direction donnée. Son unité, la candela (cd), équivaut au lumen par stéradian.
Voir Figure 7

c. L’éclairement

Flux lumineux reçu par unité de surface (1m carré) de l’élément éclairé. (Son unité est le lux. Un flux lumineux de 1 lumen atteignant perpendiculairement une surface de 1 mètre carré y produit un éclairement de 1 lux.
Voir figure 8
L’éclairement est la grandeur utilisée pour caractériser la sensibilité d’une caméra. Il se mesure au moyen d’un instrument muni d’une cellule photoélectrique appelé « luxmètre ».L’ouverture du diaphragme de l’objectif de la caméra dépend des conditions d’éclairement de l’environnement à filmer.

d. La luminance

Quotient de l’intensité lumineuse réfléchie d’une source éclairée, par l’aire apparente de cette surface (éclairée, exposée directement à ces rayons). C’est la brillance d’une surface réfléchissante, telle qu’elle est perçue par l’œil ou la caméra. (Son unité est le candela par mètre carrés).
C’est la grandeur la plus importante en télévision car c’est elle qui détermine l’ouverture du diaphragme de l’objectif.

3. Les règles élémentaires auxquelles doit répondre un bon éclairage

L’éclairage doit répondre à des principes de base conditionnant l’aspect esthétique de l’image restituée sur un écran de télévision : contrôle des ombres portées, maitrise de la brillance des hautes lumières.
Assurer un équilibre entre le premier et l’arrière plan afin donner une impression de perspective, à l’image bidimensionnelle (plane) captée par la caméra et formée sur l’écran de télévision.
Contrairement au cas du cinéma ou de la photographie, un plateau de télévision est couvert par plusieurs caméras fournissant simultanément différents angles de cadrage d’une scène ou d’un sujet. Cette multiplicité des prises de vues est l’une des grandes difficultés à laquelle est quotidiennement confronté le directeur de la photographie. L’effet visuel donné par chaque projecteur varie en fonction de la position de la caméra. Une lumière travaillée pour une caméra cadrant sous un certain angle peut parfois créer des surprises dans un autre axe.

Les bases de l’éclairage type d’un personnage filmé :

a. L’éclairage clé (source principale)

Communément appelé « face » est fourni par une source principale, délivrant une lumière très dirigée, dont l’intensité varie typiquement entre 1000 et 2000 lux. Cette source est généralement située à environ trente degré à gauche ou à droite de l’axe du regard, l’angle peut varier selon les cas pour atténuer ou accentuer certaines caractéristiques du sujet.
Cette lumière franche est inévitablement créatrices de zones d’ombres marquées et souvent disgracieuses sur le visage. Ces ombres sont atténuées par une deuxième source lumineuse moins puissante appelée « lumière d’ambiance ».

b. Lumière d’ambiance

Dotée d’un éclairement de 500 lux, elle est moins éclairante que l’éclairage clé, diffusée dans l’axe du regard et suffisamment diffuse pour ne pas éblouir l’individu ni créer d’autres ombres. Son rôle devant se limiter à éclaircir celles de la source principale.

La lumière d’ambiance et l’éclairage clef contribuent à donner une image aux reliefs apparents mais aux contrats non exagérément endurcis.

c. L’éclairage contre-jour

Source de lumière placée derrière le sujet, crée un effet de perceptive « décrochant le personnage de l’arrière plan » et ainsi renforcer l’effet tridimensionnel.
L’utilisation du contre jour se justifie d’autant plus que le contour du sujet et le fond sont de même densité. Le contre-jour est placé en opposition avec la lumière principale, avec un angle vertical suffisamment élevé pour ne pas provoquer un phénomène de diffusion optique dans l’objectif de la caméra.

Voir figure A

4. Quels sont les principaux types de lampes utilisés dans les projecteurs ?

On distingue trois grandes catégories de lampes :

a. Les lampes tungstène/halogènes (TH)

Lampe majoritairement utilisées pour éclairer un plateau de télévision ou un studio de cinéma. Ses lampes sont très compactes elles permettent à des projecteurs de taille réduites de fournir une lumière puissante, avec un spectre continu et une température de couleur de 3200 K. Ses lampes présentent l’avantage d’être montées sur variateur de tension pour pouvoir contrôler leur intensité lumineuse. La température de couleur variant avec la tension d’alimentation. Une lampe TH est constituée d’une enveloppe de verre dur ou de quartz contenant un filament de tungstène plongé dans un gaz halogène (le plus souvent de brome) ; La température de couleur de ses lampes est stable tout au long de leur durée de vie.
L’indice de rendu des couleurs d’une lampe TH est de 99(comme celui du soleil).

b. Les lampes à décharges à halogénures métalliques (HMI)

Ses lampes fournissent environ 4 fois plus de « lumen par watt » qu’une lampe TH. Cependant leurs températures de couleur changent quand elles vieillissent. Neuves la température de couleur est d’environ 5600 K.
Le spectre d’émission de ses lampes est discontinu, formés de creux et de pics, cependant leur éclairage parait très semblable à celui de la lumière du jour.
La lampe HMI ne contient pas de filament : dans une enveloppe de quartz pur (paroi résistant aux températures élevées), se trouve deux électrodes plongées dans un gaz. La lumière est due à l’apparition d’un arc électrique entre les deux électrodes provoqué par l’ionisation du gaz, lorsque la différence de potentiel appliqué entre les deux électrodes est suffisamment élevée pour que le courant puisse circuler entre elles.
La durée de vie de ce type de lampe est d’environ 200 heures.
L’indice de rendu de couleur d’une lampe HMI est de 90,moins bon que celui d’une lampe TH.

c. Les tubes fluorescents

Les tubes fluorescents, qui existent en version « lumière du jour » et en version « lumière artificielle » sont disposées côte à côte dans une « boite à lumière réfléchissante » de forme carrée ou rectangulaire.
Les tubes fluorescents ne dégagent pratiquement pas de chaleur et produisent une lumière uniforme douce et diffuse, mais peu puissante, ils sont donc limités à un éclairage de proximité. La durée de vie d’un tube fluorescent est d’environ 10000 heures, soit environ quatre années d’utilisation à raison de huit heures par jours. Beaucoup plus qu’une lampe halogène classique.
De plus, l’énergie consommée par un studio éclairé en lumière froide n’excède pas 1/8 de son équivalent en halogène, ce qui permet de considérables économies d’électricité.
Ce type de lampe n’impose pas l’installation d’un système à air conditionné puissant. Souvent la climatisation ambiante peut suffire.
L’indice de rendu de couleur d’un tube fluorescent varie de 85 à 98 (des plus au moins lumineux).
Bon nombres de ses boîtes à lumières sont installées dans des immeubles et disposent de plateaux plutôt exigus avec une hauteur sous plafond dépassant rarement trois mètres. Cela est du au fait que les tubes fluorescents sont limités à un éclairage de proximité. Les boîtes à lumières peuvent être placées à courte distance des personnages sans les éblouir et sans gêner la lecture d’un prompteur.
Les éclairages fluorescents sont essentiellement utilisés sur des plateaux de journaux télévisés, ou des plateaux talk-show.
Voir figure B

5. Les projecteurs

On distingue deux grands types de projecteurs :

a. Le projecteur à lentille de Fresnel

Ce projecteur se compose d’une lentille porte lampe montée sur un mécanisme mobile, avec un réflecteur pouvant se rapprocher ou s’éloigner de la lentille.
Cette lentille est fabriquée avec des échelons qui réduisent son poids et facilitent la dissipation de la chaleur. Sa face arrière est généralement martelée pour briser l’image des filaments de la lampe. C’est généralement la position de la lampe et de son réflecteur par rapport à la lentille qui détermine l’angle d’ouverture du faisceau lumineux ; Plus la lampe et son réflecteur sont proche de la lentille plus le faisceau émanant de celle-ci est large. Ce type de projecteur accepte les lampes TH et les lampes HMI.
(la figure ci-dessous est le schéma d’un projecteur à lentille de Fresnel, on peut y voir les échelons de la lentille (sillons concentriques sur la surface de cette dernière)).

Voir figure C

b. Le projecteur ouvert

Comme son nom l’indique ce projecteur est exempt de lentille en face avant mais conserve son réflecteur en face arrière. La taille du faisceau est réglable en déplacent la lampe par rapport à son réflecteur et inversement. Les bords du faisceau sont moins définis qu’avec un projecteur de type Fresnel, et l’absence de lentille augment de rendement lumineux du projecteur. Ce type de projecteur est adapté aux lampes TH ou HMI.

Voir figure D

c. Le projecteur de découpe

Son rôle est de projeter des motifs découpées sur une plaquette en acier inoxydable, appelée « gobo ».Le projecteur de découpe contient un système optique analogue à celui d’un projecteur de diapositives classiques : un premier dispositif concentre la lumière sur le gobo, et un second sert à projeter le faisceau ainsi découpé à une distance donnée.

Voir figure E

d. Le projecteur de poursuite

Ce projecteur fonctionne selon le même principe que le projecteur de découpe, hormis le fait que son faisceau n’est pas découpé mais plein et aux contours très nets. Le projecteur de poursuite est utilisé pour isoler un personnage (plus sur un plateau de télévision), ou simplement faire ressortir un personnage sur scène .Il est généralement équipé d’une lampe HMI.
Le projecteur de poursuite est monté sur pied avec un mécanisme permettant de le diriger pour suivre les mouvements de l’acteur sur la scène. Son système optique fournit un angle de champ très faible (système à très longue distance focale).
Plus le projecteur est éloigné du sujet plus le faisceau est étroit et plus les à-coups des mouvements sont amplifiés.

e. Les projecteurs d’ambiances

Le projecteur d’ambiance produit une lumière douce et uniforme se rependant sur une grande surface. La lumière qu’elle produit n’est pas facilement contrôlable et déborde souvent du champ visé, et son intensité s’affaibli très rapidement quand on s’éloigne du sujet.

Voir figure F (Image représentant les principaux types de projecteurs exposés précédemment.)

L’ambiance cyclorama :
Le cyclorama est le décor le plus répandu sur les plateaux de télévisions. Il s’agit d’un mur ou d’un grand rideau tendu dont les coins et parfois la jointure avec le sol sont à angles arrondis. Généralement de couleur grise, le but est d’uniformiser l’éclairage, sans inégalité entre le haut et le bas de la pièce. Pour parvenir à ce effet ; les cyclorama sont généralement éclairés par des lumières d’ambiances, diffuses. Ses lampes tubulaires sont parfois dotées d’un réflecteur à courbure ellipsoïdale dont la particularité est d’offrir une excellente répartition de la lumière de haut en bas, en dépit de l’angle d’incidence du projecteur.

f. Les projecteurs automatisés

Apparus au début des années 80 sur le marché de l’éclairage scénique. Aujourd’hui ils sont très utilisés sur les plateaux de télévisions, pour la réalisation d’émissions musicales et quelques émissions standard. Ils peuvent créer une grande palette de couleurs différentes permettant une grande variété d’effets dynamiques.
On distingue deux grandes catégories de projecteurs automatisés :

Les projecteurs « Vari*lite » :
Ce projecteur est monté sur un support rotatif, permettant des mouvements horizontaux à 360 degrés, et verticaux à 270 degrés.
Les différents modèles se distinguent par leur taille, leur puissance, et les capacités du système de changeur de couleurs. Les tuners dichroïques permettent l’enchainement des couleurs. (Voir démonstration sur les miroirs dichroïques ci-dessous).
Une console centralisée permet de programmer la couleur, l’intensité, la focalisation et l’angle d’ouverture du faisceau, ainsi que le mouvement et le positionnement du projecteur.

Le Telescan :
Il s’agit d’un projecteur automatisé équipé d’un miroir qui oriente la direction du faisceau lumineux avec une grand précision (allant jusqu’au centimètre).Ce projecteur contrairement au précédent est fixe, et plus encombrant que le Vari*lite. Cependant, il ne nécessite aucun espace supplémentaire pour assurer les mouvements du faisceau lumineux.

Voir figure G

g. Les systèmes de contrôles d’éclairages en studio

Egalement appelé jeu d’orgue, ils se composent de deux ensembles :
Une console :
Permettant de commander les niveaux lumineux des projecteurs installés en régie. L’employé qui manipule la console s’appelle le pupitreur, et dispose d’une vue d’ensemble sur le plateau, quand il travaille sur la console.
Des gradateurs :
Ce sont des organes de distributions électriques chargés de transmettre à chaque projecteur, sous forme de valeurs électriques, les instructions provenant de la console. Les gradateurs sont placés dans une armoire électrique.

Voir figure H



Durant la phase de préparation de l’éclairage d’un plateau, les niveaux d’intensité des projecteurs, sont repérés chacun par un numéro, ils sont préréglés et mémorisés individuellement.



Comment doser la lumière :
Le directeur de la photographie fait ce travail : contrôler et ajuster avec précision la quantité de lumière à envoyer sur un secteur. Pour cela il effectue plusieurs manipulations :

Régler la focalisation du faisceau :
On peut intensifier le flux de lumière envoyé sur une surface très réduite ou au contraire élargir sa couverture de champ à une surface plus étendue (diminuer l’intensité lumineuse, en élargissant l’angle de champs).

Déplacer le projecteur :
L’éclairement du sujet varie de façon inversement proportionnelle au carré de la distance qui le sépare des projecteurs (loi de Lambert).L’éclairement s’exprime en lux (voir la partie 2).
Un projecteur délivrant une intensité lumineuse de 32 000 candelas produira un éclairement de 2000 lux à une distance de 4 mètres et de 3550 lux à 3 mètres.
Les niveaux d’intensité lumineuse changent vite, quand la distance entre le sujet et le projecteur varie.

Varier l’intensité lumineuse des projecteurs :
Sachant qu’on ne peut faire cela qu’avec des lampes à incandescence et fluorescentes (en faisant varier la tension électrique qui les alimentent.
Cependant, une variation de température de couleur même peu importante peut rapidement être perceptible sur l’image vidéo.

Utiliser un diffuseur :
Le diffuseur à pour rôle d’adoucir la lumière : il s’agit de feuilles translucides à bases de verre ou de plastique traité et dont l’opacité est plus ou moins élevée. Placé devant un projecteur, un diffuseur permet d’élargir la surface de la source éclairante en rendant la lumière émise beaucoup moins directive et en réduisant de façon uniforme l’intensité lumineuse.
Le plus souvent les diffuseurs sont utilisés devant les lumières ambiantes.

Utiliser des volets :
Les volets sont fixés autours du faisceau lumineux et ont pour rôle de canaliser le flux lumineux en l’empêchant d’atteindre certaines zones non visées.

III. Démonstration de physique sur le fonctionnement des miroirs dichroïques

Un miroir dichroïque a la propriété de réfléchir les rayons lumineux dont la longueur d’ondes se situe dans une certaine plage et se laisse traverser par les rayons lumineux dont la longueur d’onde n’appartient pas à cette portion du spectre .Par exemple , un miroir dichroïque bleu se laisse traverser par toute les longueurs d’ondes supérieurs à 0,5 microns , mais réfléchit les longueur d’ondes inférieures à 0,47 microns .
On trouve des miroirs dichroïques devant les objectifs des caméras numériques type broadcaste. Ses miroirs (au nombre de trois) ont pour rôle de diviser la lumière poly chromatique incidente entre trois radiations monochromatiques correspond à trois couleurs du spectre du visible : le rouge, le vert, le bleu.
Chacun de ses rayons lumineux viennent frapper un des trois capteurs CCD (capteur photosensible, qui renvoie un signal électrique dont l’intensité est proportionnelle à celle de la radiation monochromatique qui se pose sur sa surface. Les rayons en fonction de leur longueur d’onde sont réfléchis ou transmis (passent à travers le miroir).C’est avec uniquement le rouge, le bleu et le vert (mélangées avec une intensité variable que se forme l’image colorée) .Les miroirs dichroïques ont également pour rôle de filtrer certaines radiations électromagnétiques indésirables, par exemple dans le cas de notre caméra, un excès de radiations notamment les rayons infrarouges saturent les capteurs CCD et il se forme un phénomène d’aliasing(l’image n’est pas nette).Les miroirs dichroïques permettent en partie de lutter contre ce phénomène .

Voir schéma sur les miroirs dichroïques :
Voir Figure I

Les miroirs dichroïques sont étudiés, conçus, et illustrés par la physique ondulatoire.

Voir démonstration sur les miroirs dichroïques :
Voir Annexe 1
Voir Annexe 2
Voir Annexe 3
Voir Annexe 4
Voir Annexe 5
Voir Annexe 6
Voir Annexe 7
Voir Annexe 8

Bibliographie

Philippe Bellaîche : Les secrets de l’image vidéo (2006) Editions Eyrolles.
L.Sartre : Physique des ondes (2004) Bréal.
Lucien Quaranta : Optique (1994) Masson.
Marie May : Introduction à l’optique (1993) Dunod.

Ce site a été réalisé dans le cadre d'un projet de première année de cycle préparatoire à Polytech' Paris Sud