“Vision” aérienne et sous-marine des distances et des dimensions


(Le mot vision est entre guillemets car il s’agit comme on le verra d’une perception, et non d’une vision)

Les objets sont-ils réellement vus sous l’eau plus gros et plus près ?


Article écrit pour knol en avril 2009 (optique/illusions/psychologie de la perception)

Les bouquins de plongée sous-marine, comme par exemple :
La Plongée 
de

Guy Poulet & Robert Barincou
1993, Denoël

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affirment que sous l’eau (l’eau douce et l’eau salée ne sont pas différentiées) “les objets sont grossis d’un tiers et les distances raccourcies d’un quart”.

Certains livres, comme celui cité, ajoutent que le champ latéral et la profondeur de champ (ces informations sont probablement données pour être appliquées surtout à la photographie sous-marine) sont également réduits d’un quart.

Un dessin représentant le trajet des rayons optiques vient quelquefois agrémenter cette affirmation imparable.

Certes, en ce qui concerne les appareils photos et autres caméras, le plongeur sera obligé de tenir compte de ces nouveaux paramètres, ainsi que de la modification qualitative de la lumière, bien connue, mais qu’en est-il de la vision humaine, apparemment supposée subir les mêmes modifications ?

Dès que nous allons sous l’eau, nous sommes bien obligé de constater :

– sans masque, une impossibilité d’accommodation (existe-t-il des personnes dont le défaut dans l’air devient une préadaptation sous l’eau et qui se mettent à voir net sans masque, comme les animaux marins ?)

– avec masque, de curieux effets touchant les dimensions et la distance apparente des objets.

jim

Vous pouvez voir l’image originale, et bien d’autres, très jolies, sur le site de Jim : http://
jim.m.free.fr

Certains de ces effets peuvent d’ailleurs être observés sans aller sous l’eau, juste en regardant un aquarium d’un côté, puis par l’autre côté…
Mais comment se passe “la vision” des dimensions et des distances en temps normal, dans l’air ?

Les distances et les dimensions dans la vision aérienne

Eh bien nous “voyons” les objets en trois dimensions mais il est évident que, sur notre rétine, il ne s’agit que d’à-plats (hum, en fait la rétine est sphérique bien sûr), soit des formes en deux dimensions ! Comment passons nous du monde plat à un monde en volume ?

Il n’existe bien sûr aucun système de vision directement lié à l’acquisition de la dimension des objets vus. La seule source d’information utilisable à ce sujet est évidemment l’étendue apparente de l’objet.

Par contre il existe deux systèmes de la vision qui relient l’acquisition des images et la distance et par conséquent sont susceptibles de fournir des informations à ce sujet au cerveau. Ce sont l’accommodation et la convergence.

Avant d’aller plus loin, on doit ajouter qu’un troisième système non-typiquement optique (et par conséquent mal pris en compte par les sources classiques sur la vision) est lié à la perception de l’espace et nous donne à tout moment des indications sur les distances des objets. Ce système est celui de l’appréciation des vitesses relatives. Un observateur est rarement complètement immobile et le cas échéant il fait au moins de petits mouvements du corps et de la tête. Ces mouvements modifient imperceptiblement la position relative des objets proches et nous donne des informations de parallaxe. Ces informations sont utilisées en permanence par le cerveau de l’observateur pour en déduire la distance des objets.

L’accommodation

Elle est le fruit du travail du cristallin, qui est étiré par des muscles internes de l’œil. Comme on finit par s’en apercevoir, le cristallin perd de son élasticité avec l’âge et cette accommodation devient de plus en plus laborieuse. En raison du phénomène de la profondeur de champ, cette perte d’accomodation se fait d’abord sentir dans les mauvaises conditions d’éclairage.

La convergence oculaire

A tout moment de la vision, pour que le point visé par les yeux soit focalisé simultanément sur les deux fovéa, ceux-ci ne sont pas absolument parallèles. Plus l’objet observé se trouve près de l’observateur, plus celui-ci doit loucher…
(les gens qui n’arrivent pas à loucher spontanément se servent d’un crayon qu’ils rapprochent de leur visage).

Feedback de l’accomodation

Il est aisé de montrer que l’accommodation oculaire ne fournit aucune information en retour, qui indiquerait au cerveau à quelle distance se trouve l’objet accommodé.
Une démonstration simple est qu’il n’existe aucune perte de la vision des distances au cour de la progression de la presbytie.
De nombreuses images, qu’on trouve dans des livres spécialisés, fournissent au cerveau des informations stéréoscopiques qui procurent, avec un peu d’entrainement des effets en 3 D alors même que les paramètres d’accommodation sont évidemment faux, toutes les images étant à la même distance de l’oeil…

Feedback de la convergence

La convergence oculaire fournit certainement des informations primordiales en retour au cerveau, puisqu’elle sont justement utilisées pour produire les effets stéréoscopiques dont nous venons de parler, depuis les anciennes diapos stéréo, jusqu’aux films 3D d’aujourd’hui.

Il faut admettre que ce feedback s’exerce en deux temps :

  • pour les objets n’appartenant pas à la sphère de convergence (soit les objets qui ne sont pas à la bonne distance, pour une convergence donnée), l’information retransmise est seulement qu’ils sont effectivement plus loin OU plus près. En attendant la réalisation de la convergence, ces objets sont vus doubles.
  • C’est seulement quand le cerveau s’intéresse à un de ces objets et a réalisé la convergence que le feedback peut donner une information qualitative sur le fait qu’ils sont en pratique plus éloignés ou plus rapprochés que l’objet “convergé” juste avant.
Il semble donc que ce feedback fournisse des informations relatives sur la distance de différents objets mais pas d’information absolue. Par ailleurs, il est facile de voir que la précision de ce système ne peut que diminuer avec la distance : efficace pour les objets proches, insuffisant pour départager la distance des objets éloignés. Une expérience très commune est celle de l’observateur qui regarde un petit avion se rapprocher d’une colline et ne “voit” qu’au dernier moment si l’avion était plus près, ou plus loin, que la colline selon qu’il passe devant ou derrière (on suppose que l’avion évite la colline).
Dans les mêmes illusions stéréoscopiques dont nous avons parlé au sujet de l’accommodation, les paramètres de convergences sont artificiels, ce qui n’empêche pas la vision en 3D, pour laquelle il suffit apparemment (toujours moyennant un peu d’entrainement) que les deux yeux reçoivent des images différentes (et évidemment complémentaires).

D’où vient réellement la vision en 3 D ?

On vient de voir que les systèmes adaptatifs de la vision ne fournissent aucune information absolue utilisable par le cerveau, au contraire aisément trompé. Mais d’où vient alors notre aisance à percevoir la distance et la dimension des objets que nous voyons ?

Du recoupage de multiples informations hiérarchisées :

Il faut tout d’abord comprendre que si notre vision est capable d’assigner une distance et une dimension à des objets dans notre champs visuel, c’est qu’il est avant tout capable d’ “extraire” ces objets, de les individualiser par rapport au reste de ce qui est vu. Sans cette individualisation préalable (qui est loin d’aller de soi, comme s’en rendent compte ceux qui veulent donner une “vision” aux robots) pas de vision des distances !

Les paramètres utilisés pour répartir ensuite ces objets sur une échelle de distances sont probablement hiérarchisés de la façon suivante :

  • les parties du corps qui peuvent apparaître dans le champ visuel sont pré-identifiées car le cerveau “sait” déjà où se trouvent ces parties (on sait que ce n’est pas encore le cas chez les petits bébés, qui essaient vainement d’attraper leur pied…). Dans le livre célèbre “L’homme qui prenait sa femme pour un chapeau, le Dr. Sacks ne nous dit pas, étonnante lacune de sa vulgarisation, si le malade en question était toujours capable de reconnaître visuellement les parties de son propre corps, en dehors du visage, non-reconnu mais qui n’est pas une partie du corps normalement vue ????)
magritte

Tableau de René Magritte

  • le masquage : c’est une information cruciale de la vision. Le cerveau sait que tout objet masqué par un autre se trouve plus loin. Le masquage est le plus souvent associé à une information de parallaxe (plus un objet est proche plus il se “bouge” vite dans le champ visuel, notamment lorsque c’est l’observateur qui se déplace, et il le fait en masquant les objets plus lointains).
  • le placement sur le sol ou autre surface horizontale : dans notre univers quotidien, dans les forêts ou les déserts de nos origines (et ce, bien avant l’hominisation), il y a toujours un sol. Plus un objet est lointain, plus sa base est placée haut sur le sol.
  • l’ombre (dans le cas où l’objet ne touche pas la surface horizontale, l’emplacement sur celle-ci de son ombre peut suppléer à l’information manquante).
  • la connaissance antérieure de leur dimension : pour tous les objets déjà placés en distance, leur taille apparente fournit (ou confirme) leur dimension mais en l’absence de placement en distance, c’est leur dimension connue qui comparée à la dimension observée, qui peut servir alternativement à estimer leur distance.
  • La connaissance antérieure de leur fréquence/type de mouvement (vitesse de chute d’une feuille morte, vitesse d”une vague) peut aussi servir, en l’absence de placement préalable en distance, à estimer la taille d’un objet (une feuille ne bouge pas avec la même fréquence qu’une palme. Un petit poisson frétille plus vite qu’un gros, etc.

Il existe des cas où ces informations prioritaires sont manquantes : pas de masquage, pas de placement horizontal, pas d’ombre utilisable. C’est le cas général des objets “en l’air”. Le cerveau a alors du mal à gérer la distance et même dans le cas où la taille de l’objet est “connue”, peut “fournir” une perception/représentation approximative :

Ainsi, à proximité d’un aéroport, on voit les petits avions voler plus vite vers la piste que les gros (avions passant séparément bien entendu), ces derniers paraissant voler lentement ! Globalement le cerveau connait la taille de ces objets, mais ils dépassent en réalité ses capacités (un jet c’est vraiment très gros). La taille de l’engin est sous-estimée, donc il est perçu plus près qu’il n’est en réalité et par conséquent sa vitesse est sous estimée.

Pour rester dans l’aviation : en vol de croisière, on voit les nuages se déplacer doucement vers l’arrière de l’avion, comme si on volait doucement à proximité de nuages gros comme des immeubles ( en réalité, on se déplace furieusement vite et très loin de nuages gros comme des montagnes).

Une troisième illustration de ce phénomène est bien connue : c’est celui de la lune qui nous suit. Même pour les personnes qui connaissent scientifiquement la dimension et la distance de la lune, leur cerveau continue à gérer cet objet visuel avec les mécanismes acquis bien avant l’hominisation. La taille de l’objet est fortement sous-estimée, d’où une sous-estimation aussi dramatique de sa distance. Son immobilité en parallaxe, normale pour un objet lointain (les montagnes lointaines bougent très peu quand nous roulons en voiture, mais nous ne les voyons pas nous suivre) est perçue comme un mouvement propre (si un objet relativement proche ne change pas de position, c’est qu’il se déplace dans le même sens que nous).

Curieusement Piaget (in La psychologie de l’enfant”, Jean Piaget et Bärbel Inhelder, 1966, PUF.) discute longuement du cas, banal pour lui, des enfants qui voient le soleil les suivre ? Soit dans ses écrits il a confondu le soleil avec la lune (mais la lune n’est pas là et le soleil l’attend…) soit plus probablement un changement dans la culture générale fait que dans la journée nous nous attendons à voir au cours de nos déplacements le soleil immobile (mais pas la lune) alors qu’au début du XXème siècle (à moins que les enfants voient toujours le soleil les suivre, mais moi ça ne m’est jamais arrivé, sauf quand il est voilé, qu’on peut le regarder et qu’alors il devient “semblable” à la lune).

Les distances et les dimensions dans la vision sous-marine

Il existe en réalité deux “situations” de vision sous-marine, comme on l’a vu : quand vous êtes dans l’eau (avec un masque ou des lunettes) d’une part et quand vous n’y êtes pas d’autre part et que vous regardez “dans” l’eau à travers une vitre située à une certaine distance de vous (et que vous situez spatialement) ou encore à travers la surface de l’eau.

Sous l’eau l’animal terrestre que nous sommes se retrouve dans un milieu encore pire que celui des objets “en l’air” que nous venons de voir :

  • La possibilité de masquage diminue car il y a moins d’obstacles (en général… toutefois les paramètres de vitesse relatives et de fréquence propre restent utilisables).
  • la surface horizontale de référence peut souvent être absente (plongée en pleine eau)
  • les ombres sont peu souvent observables
  • de nombreux objets ont une forme indépendante de leur taille (c’est à dire “fractoïde”) : poissons, blocs de corail, rochers, ondulations du sable, etc.
  • une information de distance supplémentaire, rarement utilisable à courte distance dans l’atmosphère fournit une nouvelle information sur l’éloignement: la faible visibilité. Autrement dit les objets plus lointains sont voilés (mais cela change beaucoup selon les conditions).

Ce tableau nous permet de prédire de piètres performances en estimation des mesures.

Compte tenu de la hiérarchisation des données dans le système perceptif de la vision, loin de nous attendre à un effet de type optique (les objets grossis d’un tiers, les distances raccourcies d’un quart etc.) comme le font les livres de plongée, nous devons plutôt envisager des perceptions différentes en fonction des paramètres d’acquisition, en particulier en ce qui concerne les connaissances antérieures que nous avons des objets vus.

On aura selon cette hypothèse au moins trois catégories d’objets :

  • les objets dont la dimension et la distance sont connues

Typiquement, ces “objets” dont à la fois la dimension et la distance sont connues sont les parties de notre corps telles que nos bras et nos jambes. Sous l’eau l’image formée par ces parties sera plus grande que d’habitude, suggérant une position plus proche que celle perçue par le système de proprio-réception. Mais comme ce système ne peut pas être contredit (notre hypothèse), le cerveau résout la contradiction en assignant à ces parties une plus grandes dimensions : nous voyons nos membres à la bonne distance mais plus gros.

  • les objets dont la dimension est connue mais pas la distance

Pourront rentrer dans cette catégories des objets tels que : matériels de plongée, autres plongeurs, etc. compte tenu de leur image plus grande que normale sur la rétine, une position plus proche que normale leur sera assignée, mais ils seront vus à leur dimension normale (sauf si on les tient, mais alors leur distance est connue).

  • les objets dont ni la dimension ni la distance ne sont connues

En pratique, leur dimension et leur distance sont souvent connues “en gros” ou au moins une des deux. Pour ces objets on peut s’attendre à une vision avec les caractéristiques prévues par l’optique, à savoir que l’objet sera vu plus près et plus gros. C’est notamment le cas des êtres vivants que l’on peut rencontrer [1] .

References

  1. Les gens s’affolent d’ailleurs très vite en présence d’un requin/crocodile de 4m ce qui est ridicule car il ne fait que 3m de long en réalité…

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