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C) Filtres infrarouges

Lorsque l’on bascule une caméra en mode « vision de nuit », un filtre qui coupe la lumière visible remplace celui qui coupait le rayonnement infrarouge. Cependant, ce filtre intégré est souvent trop faible, il laisse passer certains rayons visibles, ce qui peut poser problème dans certains cas. Il convient d’ajouter un filtre infrarouge ou, si possible, d’ouvrir la caméra et de remplacer par le filtre de son choix celui présent à l’intérieur. Ceci dit, l’ajout d’un filtre supplémentaire n’affecte guère la qualité de l’image, il n’est donc pas nécessaire d’ouvrir à tout prix la caméra si l’on n’est pas sûr de soi. L’intérêt de mettre son propre filtre infrarouge est que l’on connaît alors précisément quelles sont les longueurs d’onde passantes tolérées et quelles sont celles qui sont arrêtées.

Si l’on est réellement à court de moyens, il est possible de fabriquer un filtre infrarouge assez efficace en superposant deux morceaux de pellicule photo exposées et développées « noir » (à demander à un photographe) ou d’utiliser la bande d’amorce d’une bobine de film, là aussi en la doublant. Cela reste cependant un bricolage de fortune, puisque l’on ne peut pas précisément connaître la tolérance du filtre.

Les filtres infrarouges sont fabriqués pour la photographie et maintenant, la vidéo. Lorsque l’on cherche un « filtre infrarouge », il convient de veiller à choisir un filtre qui coupe la lumière visible, et non l’inverse ! Les dénominations ne sont parfois pas très claires. Il existe plusieurs fabricants de filtres infrarouges. Certains sont vendus en feuille, comme chez Kodak, d’autres sont déjà montés sur bague. Si l’on choisit d’acheter un filtre monté sur bague, il faut bien entendu vérifier non seulement le diamètre, mais aussi si l’optique de la caméra permet d’y visser un filtre. On peut également trouver des filtres dichroïques rigides.

Quant au choix de la densité du filtre, tout est question de dosage entre la sensibilité de la caméra (d’où l’importance de posséder sa courbe de sensibilité en fonction des longueurs d’onde) et le niveau d’éclairement lors de la prise de vue.

Parmi les filtres infrarouges disponibles sur le marché, ceux de la marque Kodak sont tout à fait efficaces. Ils sont certes assez chers (compter environ 85 Euros TTC pour une petite feuille de gélatine de 10 cm²) mais si l’on en prend soin, il n’y a pas de raison qu’ils s’altèrent . A titre indicatif, le filtre Kodak 87C offre souvent un bon compromis : il est assez sombre pour éliminer totalement la lumière visible, mais il laisse passer suffisamment de rayonnement infrarouge pour conserver une assez bonne luminosité.

D) Eclairage

Une caméra infrarouge réclame un éclairage spécifique, qui fournit un rayonnement infrarouge compris dans le spectre auquel est sensible celle-ci. De manière générale, plus ce rayonnement sera proche de la lumière visible, meilleure sera la sensibilité de la caméra à ce rayonnement. Il faut cependant tenir compte de la transmission du filtre infrarouge choisi : il ne sert à rien d’éclairer une scène avec un rayonnement de 850 nm, si le filtre choisi est un Kodak 87A, qui ne laisse passer le rayonnement infrarouge qu’à partir de 900 nm.

a) les projecteurs infrarouges

Par « projecteur infrarouge », nous désignons les systèmes produisant un rayonnement infrarouge dans le but d’éclairer une scène de nuit, tout en conservant une impression d’obscurité pour l’œil humain. Si nous devions mentionner les lampes destinées au chauffage, nous utiliserions le terme « lampe infrarouge ». Nous avons déjà attiré l’attention sur le fait qu’il ne fallait pas confondre l’un et l’autre, les longueurs d’onde produites par la lampe infrarouge sont destinées au chauffage, elles n’ont pas d’intérêt pour l’éclairage.

Le rayonnement infrarouge obéit aux mêmes lois physiques que la lumière visible. Il ne faut pas se laisser déstabiliser par l’idée que ce projecteur va dispenser un rayonnement invisible à l’œil nu, il suffit de raisonner en terme de « lumière infrarouge » : c’est une source d’éclairage que je ne verrai pas sans l’intermédiaire de la caméra, mais cela reste de la lumière.

Les critères de choix d’un projecteur infrarouge, hormis la question de la longueur d’onde, restent strictement les mêmes que pour un projecteur « normal »

• puissance
• ouverture
• encombrement (si à vue du public)
• accroche

Concernant la puissance du projecteur, on ne peut pas faire de stricte conversion entre un projecteur de lumière visible et le projecteur infrarouge. Tout dépend de la longueur d’onde filtrée, de la technologie utilisée, de la sensibilité de la caméra, etc. Comme les applications sont essentiellement destinées à la vidéosurveillance, les vendeurs font souvent le choix d’indiquer, non pas la puissance du projecteur, mais sa distance maximale pour éclairer correctement un objet. Cela est assez pratique.

Il existe des projecteurs infrarouges équipés d’un transformateur non graduable, qu’il faut alors brancher sur un relais statique. Il convient donc de choisir avec un certain soin la puissance du projecteur, pour ne pas risquer d’avoir une image complètement surexposée. C’est pour cette raison-là que, lorsque les projecteurs infrarouges ne sont pas à vue du public, il est souvent plus commode d’utiliser un projecteur normal équipé d’une combinaison de filtres pour stopper le rayonnement visible.

Il existe deux grandes familles de projecteurs infrarouges : les projecteurs utilisant une lampe tungstène, et les projecteurs à leds.

La lampe tungstène halogène présente dans les projecteurs infrarouges est différente de celle que l’on rencontre dans les projecteurs classiques, mais elle émet aussi des rayons visibles et dont ceux-ci sont supprimés par un filtre dichroïque. Lorsque l’on regarde certains de ces projecteurs (ceux donnés pour fournir un rayonnement de 730 nm), quand ils fonctionnent, on distingue une lueur rougeâtre. Ceci est bon à savoir pour un usage à vue du public et dans l’obscurité complète.

L’apparition sur le marché des projecteurs infrarouges à leds est assez récente. Cela reste encore un produit cher. En principe, ils n’émettent aucune lumière visible, puisqu’il s’agit d’une génération de lumière monochromatique. Les arguments de vente, destinés à la vidéosurveillance, sont la faible consommation électrique et la très longue durée de vie des leds. Ils ont aussi l’avantage de générer très peu de chaleur, ce qui peut par exemple permettre de les camoufler dans un élément de décor. Suivant la puissance souhaitée, ces projecteurs sont constitués d’une série de leds, cela pouvant aller de quelques unes à plusieurs centaines. Bien entendu, ces leds sont différentes de celles utilisées pour le transport des données, mais pas tant que ça. Elles sont seulement un peu plus puissantes et ne répondent pas à des besoins d’oscillation en fonction d’un signal.

b) Fabriquer sa « lumière infrarouge »

Un projecteur couramment utilisé dans le spectacle (PC, découpe, etc.) est équipé d’une lampe tungstène halogène qui génère nettement plus de rayonnements infrarouges que de lumière visible . Ceux-ci se situent dans l’infrarouge proche. Ils conviennent donc pour éclairer une scène destinée filmée avec une caméra infrarouge. Puisque l’intérêt reste tout de même de conserver l’impression d’obscurité à l’œil nu, il suffit de couper au moyen de filtres la majorité du spectre visible.

Exemples de combinaisons de gélatines (il en existe d’autres) :

• Lee 106 + Lee 120
• Lee 026 + Lee 119

Ces références sont celles d’un des plus gros fournisseurs de filtres en Europe, Lee Filters. Cela s’achète sous forme de grandes feuilles souples, appelées gélatines, qui servent habituellement à colorer la lumière des projecteurs, et qui coûtent environ 10 Euros pièce. La majorité des salles de spectacle ou des fournisseurs de matériel pour le spectacle possèdent ces références dans leur stock.

Quoiqu’il en soit, il ne faut absolument pas utiliser un filtre infrarouge, fabriqué pour équiper un appareil photo ou une caméra. Présenté devant un projecteur, le filtre ne résisterait guère longtemps à la chaleur.

Inconvénients de ce choix

• Lorsque le projecteur est allumé, on voit briller la lampe à travers les gélatines, et si celui-ci est à vue, cela gâche un peu la magie du procédé.
• Le filtrage des rayons visibles n’est pas parfait. Il subsiste notamment une petite portion de rouge que l’on peut déceler si le projecteur fonctionne au-delà d’une certaine puissance. Cependant, si les réglages de la caméra infrarouge sont correctement faits et que les conditions de prise de vue ne sont pas extrêmes, il n’y a pas de raison de graduer le projecteur au-delà de 50 % (pour une lampe de 1000W) et aucun rayonnement n’est alors décelable à l’œil nu.
• Les gélatines se détériorent sous l’effet de la chaleur. Il convient de surveiller leur vieillissement, et si l’on constate qu’elles laissent passer trop de rayonnement visible, elles doivent être changées. Cependant, dans le cas de certaines utilisations des prises de vue, notamment pour le tracking (détection de mouvement au moyen d’une caméra), les réglages sont très précis, et si l’on remplace des gélatines usagées par des neuves, il faut alors procéder à un nouveau réglage des intensités lumineuses.

Avantages

• Les sources d’éclairage utilisées possèdent des caractéristiques optiques dont nous sommes familiers. On peut notamment utiliser une découpe, afin de n’ « éclairer » qu’une zone précise, ce qui permet de travailler l’image obtenue, pour des raisons esthétiques ou techniques.
• Ce sont des sources parfaitement graduables. Cela permet d’adapter l’intensité à la scène filmée.
• On peut régler précisément le projecteur, et placer les gélatines ensuite.
• Le coût est moindre, puisque le matériel est facile à se procurer dans le cadre d’un spectacle.

c) Sources fréquentes d’éclairage qui ne produisent pas de rayonnement infrarouge proche

Il est important de les connaître, car il peut être intéressant de pouvoir dissocier l’éclairage visible du public de l’ « éclairage » mis en place pour une caméra infrarouge. Cela permet aussi d’éviter certaines angoisses, lorsque l’on cherche à comprendre pourquoi l’image est complètement noire, alors que tout semble fonctionner normalement…

Les tubes fluorescents et néons sont la source d’éclairage la plus commune qui ne produit aucun rayonnement infrarouge proche. Ceux-ci servant souvent d’éclairage de service dans les salles de spectacle, il ne faut donc pas s’inquiéter lorsqu’une caméra infrarouge ne donne qu’un écran noir, alors qu’il semble y avoir toute la lumière nécessaire au plateau.

Les leds fabriquées pour produire une lumière visible, colorée ou blanche, n’émettent pas de rayonnement infrarouge proche.

Les vidéoprojecteurs sont équipés d’une lampe qui, en elle-même, produit un rayonnement infrarouge, mais pour différentes raisons, ce rayonnement est éliminé par un filtre dichroïque. Une image vidéoprojetée n’est absolument pas détectée par une caméra équipée d’un filtre infrarouge. Et cela reste vrai même si le vidéoprojecteur est très puissant et très proche de la zone de projection.

d) Supprimer le rayonnement infrarouge ?

S’il est assez simple de supprimer le rayonnement visible d’une source d’éclairage halogène pour ne conserver que le rayonnement infrarouge, il est plus difficile et coûteux de faire l’inverse. Spontanément, l’idée vient d’utiliser du Heat Shield, gélatine commercialisée par Lee Filters, vendue pour être placée entre la source d’éclairage et la gélatine colorante, de manière à préserver celle-ci de la chaleur. Les résultats du Heat Shield sont très discutables en matière de préservation des gélatines contre la chaleur, et c’est complètement inefficace pour essayer de stopper le rayonnement infrarouge sur les longueurs d’onde qui nous intéressent (dans l’infrarouge proche, entre 750 et 1000 nm).

De même, un autre fabricant de filtres, Rosco, propose en catalogue un produit, le Thermashield, qui est plus sophistiqué mais le problème risque d’être le même et le prix n’encourage pas à la consommation (compter 70 Euros pour une feuille de 30 cm²), et à supposer que le rayonnement infrarouge soit en partie stoppé, la question se pose ensuite de savoir combien de temps cela résisterait à la chaleur avant de se dégrader.

Bien évidemment, on évitera aussi d’acheter fort cher le filtre 301 A Kodak pour le placer sur un projecteur : ce filtre coupe effectivement le rayonnement infrarouge (et ultraviolet) pour ne conserver que la lumière visible, mais il ne résiste absolument pas à la chaleur, il a été conçu pour équiper des télescopes, lunettes astronomiques et autres systèmes optiques d’observation céleste.

La seule solution envisagée actuellement est d’utiliser un filtre dichroïque, fabriqué pour cet usage. Il s’agit d’un filtre rigide en verre qui réfléchit les rayons que l’on ne souhaite pas conserver, au lieu de les absorber, comme le fait une gélatine, les réfléchit. Il faut donc le faire fabriquer sur mesure, pour qu’il soit coupé à la dimension exacte du porte-filtre pour le projecteur. Inutile de préciser que cela coûte cher, surtout si l’on souhaite équiper plusieurs sources, mais en principe, la dégradation du filtre à cause de la chaleur est très lente et si on le manipule avec précaution, il ne sera pas nécessaire de le changer avant d’avoir terminé la création d’un spectacle.

Il est peut-être également possible de faire fabriquer spécialement pour cela une lentille traitée pour réfléchir le rayonnement infrarouge, qui remplacera la lentille du projecteur.

E) Applications

a) Filmer dans l’obscurité

C’est la manière la plus évidente d’utiliser une caméra infrarouge. L’exemple fréquent consiste à filmer (ou photographier) le public, alors que celui-ci a l’impression de se trouver dans l’obscurité, et de projeter son image sur écran, soit en direct ou en différé.



L’image obtenue avec une caméra couleur est verdâtre, à utiliser donc de préférence en noir et blanc. Il faut jouer avec les réglages normaux de la caméra (iris, shutter, etc.) pour trouver le meilleur compromis entre luminosité, contraste, bruit, etc. Ce n’est pas nécessairement avec le maximum de lumière infrarouge que l’image sera la plus intéressante. Penser qu’il est également possible de traiter informatiquement l’image reçue en ajoutant du gain, du contraste, etc. Suivant la sensibilité de la caméra et les conditions de prise de vue, on peut obtenir des images de qualité surprenante.


Une caméra infrarouge peut aussi rendre service lorsque l’on a besoin, depuis la régie, de connaître l’emplacement des interprètes au plateau, alors que celui-ci est plongé dans l’obscurité. Cela permet par exemple de s’assurer que les comédiens sont correctement placés sur scène avant de monter la lumière, lorsqu’ils ont un placement à faire pendant un noir. La caméra peut alors être placée assez haut, en douche au-dessus du plateau, entourée d’un ou deux projecteurs équipés d’une combinaison de filtres.

b) Détection de mouvement (camera tracking)

Actuellement, il existe plusieurs logiciels qui permettent, en comparant deux images vidéo successives et en identifiant les pixels modifiés de l’une à l’autre, de procéder à une détection de mouvement. Celle-ci peut par exemple se formuler sous forme de coordonnées x et y d’un objet qui se déplace, ou sous forme de quantité de mouvement, ou encore en délimitant des zones de déclenchement qui s’activent lorsque du mouvement est détecté dans une de ces zones.

De manière générale, le logiciel ne procède que par différence de pixels. Sauf en cas de tracking sur une couleur précise, il ne lui est pas possible de faire la différence entre un interprète et un changement d’état lumineux ou une vidéo : les trois produiront une modification de l’image qui sera interprétée comme mouvement.

L’utilisation d’une caméra infrarouge pour procéder à du camera tracking permet de diminuer les risques de parasitage de la détection.

Tout d’abord, si la zone de tracking correspond à la zone de projection vidéo, sachant que l’image vidéoprojetée ne contient aucun rayonnement infrarouge, on peut donc éliminer celle-ci du champ de vision de la caméra en utilisant un filtre infrarouge supprimant tout rayonnement en dessous de 750 nm. Cela peut donc également permettre d’utiliser les informations obtenues par le tracking pour déplacer une image vidéo, sans risquer un effet de « larsen ». L’intérêt, non négligeable, est que l’on produit alors un « éclairage » strictement réservé à la prise de vue, indépendante des contraintes d’éclairage liées à la présence d’une projection vidéo au plateau : la caméra voit un type de lumière qui ne gène pas la vision de la vidéo par le public.

Cependant, même si l’image filmée est strictement réservée au tracking et qu’elle n’est pas diffusée pour les spectateurs, il convient de soigner l’éclairage de la scène, notamment de ne pas multiplier les sources infrarouges afin d’éviter les ombres portées parasitant la détection de mouvement. Il faut aussi veiller à ne pas avoir un chevauchement trop important des sources, la caméra infrarouge étant, comme toute caméra, très sensible aux contrastes de lumière et révélant les surintensités là où la nappe de lumière semble homogène à l’œil nu. L’emploi de découpes pour ce type d’éclairage à l’infrarouge facilite beaucoup le réglage, car on peut délimiter plus précisément les zones d’impact des projecteurs. Afin d’éviter d’avoir un point chaud trop visible, l’ajout d’un diffuseur (par exemple Rosco 114 ou 119) s’avère souvent utile.

Si l’on utilise parallèlement des sources de lumière visible, destinées à permettre aux spectateurs de voir ce qui se passe au plateau, il convient alors de choisir judicieusement ses directions et de doser communément sources infrarouges et sources visibles, de manière à ne pas avoir une trop grosse surintensité aux endroits où il y a un double impact de rayonnements visibles par la caméra, ceux produits par les sources infrarouges, et ceux produits par les sources halogènes en plus de la lumière visible. Ainsi, sur l’exemple donné ci-dessous, le sujet est surexposé à l’endroit où tapent les sources latérales, mais cela n’est pas forcément gênant pour la détection de mouvement.

c) Détection du mouvement d’un ou plusieurs points précis

Grâce à la capacité d’une caméra infrarouge de n’être sensible qu’à une certaine plage de longueurs d’onde, on peut donc également, dans le cadre d’une détection de mouvement mentionnée précédemment, de ne laisser voir à la caméra qu’un ou plusieurs points précis, par exemple en utilisant des leds émettant une longueur d’onde précise, située dans l’infrarouge proche . Montée en bague sur la main d’un comédien, cela permet à celui-ci, en promenant sa main sur une image vidéo, de « dessiner » assez précisément sur celle-ci, la caméra ayant l’iris suffisamment fermé pour ne voir que la surbrillance produite par la led. Pour que cela soit efficace, il ne faut alors pas ajouter de sources infrarouges pour éclairer le sujet, y compris des sources de lumière visible, sauf si celles-ci ne produisent pas en elles-mêmes de rayonnement infrarouge, ou si elles sont équipées d’un filtre permettant de supprimer ce rayonnement parasite.

Une autre possibilité est aussi l’emploi de réflecteurs. Il existe alors deux manières de procéder : des réflecteurs sélectifs, qui ne renvoient qu’une bande spectrale limitée (des filtres dichroïques utilisés « à l’envers » en quelque sorte) permettent de ne réfléchir que le rayonnement infrarouge. Cependant, la méthode la plus courante consiste à utiliser des réflecteurs de forme sphérique (espèces de balles de golf blanches à haut pouvoir réfléchissant) qui réfléchiront aussi bien la lumière visible que le rayonnement infrarouge. La scène est alors éclairée en lumière visible par une source qui ne produit pas de rayonnement infrarouge (tubes fluorescents la plupart du temps) et des sources infrarouges, généralement placées dans l’axe de la ou des caméras, permettent d’émettre un rayonnement qui sera lui aussi réfléchi par les balles. Comme les caméras sont équipées de filtres qui stoppent la lumière visible, elles ne détectent que les rayonnements infrarouges réfléchis par ces balles. Le haut pouvoir réfléchissant de ces balles permet d’obtenir un très fort contraste entre ces zones et les autres parties du corps. Un traitement vidéo permet ensuite d’isoler ces zones fortement réfléchissantes afin qu’elles seules apparaissent à l’écran pour l’analyse du mouvement.

C’est par exemple de cette manière que fonctionne le système de détection et de capture de mouvement 2D et 3D Vicon . Plusieurs caméras sont disposées autour d’un sujet dont les membres sont équipées de ces balles et bandes réfléchissantes. Les caméras ne sont sensibles qu’au rayonnement infrarouge, chacune d’elle est équipée d’un anneau de leds afin d’arroser la scène en infrarouges. De plus, ces leds sont synchronisées avec l’obturateur de la caméra : afin de procéder à une capture très précise du mouvement, chaque caméra est équipée d’un obturateur qui permet une alternance des images noires et des images imprimées. La cadence de l’obturateur est synchronisée avec celle des leds. Ainsi, le sujet n’est éclairé qu’une fraction de seconde, le temps de capturer une image. Cela permet d’obtenir une série d’images où il n’y a jamais de filé sur les mouvements, les marqueurs sont toujours très nets, même en cas de mouvement très rapide.

Ce type d’appareillage est utilisé dans de nombreux domaines, par exemple en médecine pour étudier les mouvements du corps, chez les sportifs pour améliorer les performances en détectant les gestes inutiles, en cinéma d’animation 3D cela permet de faire du « motion capture » (un personnage modelé en 3D est déplacé en fonction des déplacements d’un acteur) et d’obtenir des mouvements très réalistes.

d) Applications esthétiques

Dans le cas où l’image obtenue par la caméra infrarouge est à nouveau diffusée au plateau, il peut être intéressant d’employer des sources d’éclairage infrarouges en complément des sources de lumière visible. Ainsi, lorsqu’un interprète est allongé sur une projection vidéo au sol, qu’il est filmé par une caméra en douche au-dessus de lui, mais qu’il n’est pas possible de l’éclairer visiblement depuis le haut sans polluer la projection vidéo au sol, l’ajout d’une source infrarouge dans le même axe que celui de la caméra permet d’obtenir une image plus homogène, sans perturber la vision du spectateur.

Selon le même principe, il est aussi possible de fabriquer une scène, où l’éclairage sur la vidéo, pourtant filmée en direct et retransmise immédiatement, ne correspond pas à l’éclairage que le spectateur voit au plateau. Dans le cas de directions latérales très contrastées, cela est assez troublant, même si tous les spectateurs ne sauraient précisément dire ce qui les perturbe.

F) Note sur les costumes et décors

Il est important d’avoir à l’esprit que tous les tissus et tous les matériaux ne réagissent pas de la même manière au rayonnement infrarouge. Certains absorbent assez facilement les infrarouges proches, alors que d’autres les réfléchissent. Concrètement, cela signifie que les matériaux qui réfléchissent ce rayonnement paraîtront clairs, voire blanc, alors que d’autres qui l’absorbent paraîtront sombres à la caméra, indépendamment de la couleur du matériau. Le cas assez classique est un costume dont les coutures ont été faites avec un fil synthétique qui n’est pas le même que celui employé pour le tissu : les deux fils semblent de la même couleur à la lumière, mais le tissu sera noir en infrarouge, alors que le fil des coutures sera tout blanc. Outre les questionnements esthétiques que cela peut engendrer, dans le cas d’une détection de mouvement, il est tout de même plus aisé de détecter le mouvement d’un objet qui n’a pas la même clarté que le fond sur lequel il se trouve.

Afin d’éviter des surprises et des désagréments, il est toujours prudent, si cela est possible, de tester la réaction des matériaux (éléments de décors, peintures, tissus, fils, etc.) au rayonnement infrarouge, avant de les employer définitivement pour le spectacle.

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