Techniques de projection cinématographique

Cet article présente les techniques utilisées pour restituer un film dans une salle de cinéma.

Le film de cinéma se présente sous la forme d'un pellicule sur laquelle sont imprimées des images ; cette pellicule est appelée « copie ». Le film vidéo se présente sous la forme d'une bande magnétique ou d'un support numérique (CD-ROM, DVD, disque dur...), qui comporte des images codées. Ces images sont projetées successivement à l'écran. Deux phénomènes donnent l'illusion de voir un déroulement continu :

• la persistance rétinienne, qui masque les noirs entre les images ;
• un effet psychologique, l'effet phi : le cerveau interprète la succession d'images proches comme étant une image unique qui change.

La très grande majorité des salle utilise le support pelliculaire, qui représente le meilleur rapport qualité/prix ; la projection vidéo, même avec une qualité numérique, est encore loin d'égaler la finesse et le rendu des couleurs de la pellicule argentique. Par contre, les copies pelliculaires se dégradent au fil des projections, et doivent être retirées de temps en temps (tirage par contact, peu onéreux). La projection vidéo concerne en général les productions légères, films amateurs ou semi-professionnels. Toutefois, dans l'idée de certains, notamment de George Lucas, l'avenir serait vers une projection vidéo « tout numérique » : le cinéma recevrait un support numérique (ou alors téléchargerait le film), ce qui permettrait de réduire les coûts côté production et distribution (suppression du coût du tirage et de la gestion logistique des copies), mais augmenterait par contre le coût de projection (investissement dans un nouvel équipement évoluant régulièrement pour suivre les progrès techniques).

Certaines rares salles sont déjà équipées d'un tel système de projection vidéo numérique.

La projection cinématographique

Ce sont les techniques utilisées pour projeter les films sur pellicule dans les salles de cinéma, et parfois à domicile (films 8 mm ou Super 8).

Support pelliculaire

Les premières pellicules étaient en nitrate de cellulose, un plastique très inflammable dégageant des gaz toxiques en brûlant (voir par exemple le film Cinema paradiso de Giuseppe Tornatore, 1989). On l'appelle pour cela le « film flamme ». Le risque d'incendie était d'autant plus grand que les lanternes des projecteurs utilisaient un arc électrique à l'air, agissant comme une flamme nue. En raison de ce risque, il ne pouvait y avoir au maximum que 40 minutes de film en cabine, sous la forme de deux bobines, ou « galettes », de 20 minutes. Il fallait donc deux projecteurs : pendant que la première galette était projetée, on chargeait la deuxième sur le projecteur. Puis, à la fin de cette galette, on lançait le second projecteur et on chargeait la troisième galette dans le premier projecteur. Ceci explique les deux marques que l'on voit encore parfois en haut à droite de l'image, en fin de galette (toutes les 20 minutes). Les supports de galette étaient fermés (étouffoirs).

Par ailleurs, ce support était fragile et vieillissait assez mal, avec notamment un « retrait » (rétrécissement du film).

On utilisa par la suite du triacétate de cellulose, dit « film de sécurité ». Ce support était peu inflammable, plus transparent, plus solide et vieillissait mieux. Il devint donc possible d'assembler toutes les bobines en une seule, et de ne plus utiliser qu'un seul projecteur.

Depuis le milieu des années 1990, on a commencé à utiliser du polyéthylène. Ce support est plus transparent et plus résistant — trop disent certains projectionnistes, en effet, en cas de problème, le film ne casse plus ce qui peut provoquer des dégâts à l'appareil.

Notons que le film est toujours conditionné en galettes de 20 minutes, ce qui permet de faciliter le transport (les galettes sont empilées dans un sac ou dans une boîte qu'on appelle « marmotte »).

Formats de pellicule et de projection

La pellicule utilisée peut être de dimensions variables (8 mm, 9,5 mm, 16 mm, 35 mm, 70 mm) et peut également supporter la bande sonore. Le format 9,5 mm était un format amateur qui est maintenant abandonné.

Actuellement, le 8 mm dans sa version (super 8) est utilisé par le cinéma amateur (quoique la vidéo l'ai presque entièrement remplaçé), par une société japonaise de télé-surveillance, mais surtout par le cinéma expérimental (dont certains festivals montrent encore chaque année de nombreux films dans ce format), et par quelques réalisateurs de courts ou long métrages en tant que pellicule intermédiaire (tournage en super 8, télécinéma, et kinéscopage en 35 mm). Le super 8 possède des qualités de texture d'image, de maniabilité, et de faible coût, qui le font encore bien utiliser de nos jours.

Le 16 mm est utilisé pour le cinéma semi-professionnel ou lorsqu'il est important d'avoir une infrastructure légère : cinéma documentaire, cinéma expérimental.

Le 35 mm est le format professionnel le plus courant dans le cinéma de fiction de long métrage traditionnel.

Enfin le 70 mm est utilisé en remplacement du cinémascope (seules certaines salles sont équipées de projecteurs 70 mm).

Différents procédés de reproduction de la couleur ont été utilisés (ex : Technicolor).

La pellicule est munie de perforations qui permettent son entraînement, et surtout l'immobilisation d'une portion de la pellicule pour la projection de l'image. Les pellicules 8 mm et 16 mm ont leurs perforations sur un seul côté, avec une seule perforation par image. Les pellicules 9,5 mm avaient leur perforations au milieu de la pellicule, entre les images. Les pellicules de 35 et 70 mm ont des perforation des deux côtés, et plusieurs perforations par image (4 de chaque côté pour le 35 mm), ce qui permet une meilleur stabilité de l'image ; par contre, si l'on doit couper une partie du film pour des raisons de détérioration, il faut bien couper une image entière, sous peine d'introduire un décadrage.

Il faut distinguer le format de la pellicule du format de projection, c'est-à-dire de la largeur de l'image, qui est elle un choix artistique du réalisateur (bien que cette notion de choix artistique soit assez floue dans les majors, les multinationales de production).

Anecdote : lorsqu'un ingénieur des usines Lumière demanda quelle largeur devait avoir la pellicule, un des frères Lumière montra un écartement entre le pouce et l'index en disant « comme ceci » ; cela donna le 35mm des pellicules photographiques et cinéma...

Le son

Son analogique

La première sonorisation utilisait un gramophone actionné à la main, ce qui posait des problèmes de synchronisation (variation de la vitesse du gramophone et problème d'amputation des images abîmées du film).

Le son fut très vite inscrit de manière optique sur le bord de la pellicule. Une lampe éclairait cette piste optique ; l'intensité de la lumière traversant le film était mesurée par une cellule photoréceptrice qui transformait cette intensité en un signal électrique qui était ensuite envoyé vers une chaîne d'amplification classique.

Les premières pistes étaient à densité variable : les variations de niveau de gris provoquaient les variations de l'intensité lumineuse. Mais ce procédé provoquait un fort bruit de fond : en effet, la moindre poussière provoquait une variation de l'intensité parasite. C'est maintenant la largeur du blanc qui provoque la variation de l'intensité lumineuse ; ainsi, si une poussière se met sur la partie noire, elle ne provoque aucun parasite.

Le lecteur se situait (et se situe toujours en ce qui concerne les pistes optiques) après la fenêtre de projection, avec un décalage de 20 images. Ceci explique que lorsque l'image sautait ou était coupée, le défaut sonore arrivait un peu moins d'une seconde après. Si le film était mal chargé, le son pouvait être légèrement en avance ou en retard par rapport à l'image (il s'agissait là d'un problème de projection qui indépendant des éventuels problèmes de synchronisation à la post-production).

Dans les années 1950 arriva le son stéréo. Comme il était nécessaire de loger deux pistes sur le bord de la pellicule, tout en gardant la compatibilité avec le son monophonique, l'intensité de chaque piste était divisée par deux, ce qui dégradait la qualité du son (le rapport signal sur bruit était plus mauvais). C'est la méthode d'enregistrement et de filtrage de l'entreprise Dolby qui permit donc l'arrivée de la stéréo au cinéma.

À ceci vint s'ajouter un autre problème : le spectateur devait être au milieu des deux enceintes pour avoir une bonne restitution. Il fallut donc développer un système à trois enceintes gauche-centre-droit, donnant une restitution de bien meilleure qualité. De fait, les deux bandes son (gauche et droite), appelées ici Lt et Rt, étaient comparées. La partie commune (la « moyenne » des deux bandes) était envoyée vers le haut-parleur central. La partie spécifique à la bande de son gauche (la différence entre la bande de gauche et la moyenne) était envoyée au haut-parleur de gauche, et la partie spécifique à la bande de son droite était envoyée sur le haut-parleur droit. Ceci constituait le système dit « Dolby Stereo ».

Aux trois voies L(gauche), C(centre) et R(droite), s'ajoute un canal arrière dit ambiances ou surround en anglais. Le signal envoyé sur le canal surround (S) est essentiellement basé sur la différence de phase entre les dueux canaux Lt et Rt. Ceci permet de donner une impression supplémentaire de relief, provoquant des sons derrière le spectateur. Le système fut ensuite nommé maladroitement Dolby SR (Spectral Recording) par Dolby car le système incorporait aussi un réducteur de bruit Dolby SR alors que le Dolby Stereo fonctionnait avant associé à un réducteur de bruit Dolby A. Les systèmes de restitution Dolby Stereo ou Dolby SR étaient souvent munis d'un caisson de basse, restituant le résultat d'un simple filtrage (les basses fréquences sont envoyées vers ce haut-parleur, il n'y a pas de codage spécifique de la voie).

La dernière évolution en date du son analogique est l'utilisation d'un faisceau laser comme source lumineuse, ce qui permet de diminuer la taille du faisceau et donc d'améliorer la bande passante.

Sur les pellicules 70 mm, des pistes magnétiques étaient collées sur la pellicule, entre l'image et les perforations. Il s'agissait d'une technique classique d'enregistrement magnétique utilisant le filtrage Dolby. Il y avait une piste magnétique par piste audio.

Son numérique

Le son numérique peut se présenter de deux manières. Soit le son numérisé est imprimé sur la pellicule, entre les perforations ou bien entre les perforations et le bord de la pellicule ; il s'agit alors d'une lecture optique de données numériques, similaire à des code-barres. Cela peut se présenter effectivement comme un code-barres, ou bien comme des points blancs et noirs. Le film peut aussi être livré avec un disque compact (CD), et c'est la référence de la plage à lire (type code-barres) qui est imprimée à côté de la pellicule ; ainsi, s'il est nécessaire de couper une image dégradée, le système fait le saut de son correspondant.

Même lorsque le film utilise un son numérique, la piste son optique est toujours présente, en cas de panne ou si le projecteur n'est pas équipé d'un lecteur numérique. Il existe trois formats, les informations étant inscrites sur des endroits différents de la pellicule :

• Dolby Digital (anciennement Dolby SRD) : le son encodé est imprimé entre les perforations, sur la partie droite du film (à côté de la bande son optique) ;
• DTS : Digital Theater Systems, le son est sur un disque compact, un code de synchonisation est imprimé à côté de l'image ; par l'ajout d'un projecteur vidéo, ce système parmet du surimprimer des sous-titres (DTS-CSS, pour Cinema Subtitling System) ;
• SDDS : Sony Dynamic Digital Sound, le son encodé est imprimé sur les bords extérieurs de la pellicule (entre les perforations et le bord)

Les systèmes de restitution disposent de 8 voies : avant-gauche, avant-demi-gauche, avant-centre, avant-demi-droite, avant-droite, arrière-gauche, arrière-droit et basses (l'oreille perçoit mal la direction d'où proviennent les basses, il n'y a donc qu'un caisson unique).

La bande passante

La bande passante est la gamme de fréquence que peut restituer le système de sonorisation. Le son consiste en des petites variations cycliques de la pression de l'air, plus les variations sont rapide (fréquence élevée), plus le son est aigu. L'oreille entend globalement entre 20 Hz et 20 000 Hz.

Avec le son analogique, la fréquence supérieure de la bande passante était jadis d'environ 5 000 Hz mais atteint 12 000 Hz dans les systèmes actuels. Ceci est limité par la largeur du faisceau éclairant la bande son et par la vitesse de défilement du film. En effet, si le faisceau a une largeur ℓ, les « détails » de la bande son plus petits que ℓ ne seront pas « vus » par le lecteur (il s'agit d'un ordre de grandeur). Supposons une bande-son composée d'une sinusoïde dont les sommets sont distincts de ℓ. Si la vitesse de défilement de la bande est v, alors il passe un sommet tous les ℓ/v, ce qui correspond à une fréquence de

ƒ = v/ℓ.

On voit donc que plus ℓ est petit, plus ƒ est élevé. De même, plus v est grand, plus ƒ est grand. C'est la raison pour laquelle on a relevé la vitesse de défilement du film de 18 à 24 images par secondes, et que l'on essaie d'avoir le faisceau de lecture le plus fin possible. Cette taille de faisceau est limitée par le phénomène de diffraction de la lumière.

Pour le son magnétique des pellicules 70 mm, la variation spatiale du champ magnétique la plus petite détectable est de l'ordre de grandeur de la taille de l'entrefer de la tête de lecture. Les images étant plus grandes qu'en 35 mm, la vitesse de défilement du film (en mètres par seconde) est plus grand en 70 mm qu'en 35 (toujours avec 24 images par secondes), le son est donc de meilleure qualité.

Pour le son numérique, la limite est le pas d'échantillonnage.

La lanterne et l'objectif

La lumière est produite par une lanterne. La lanterne comporte une lampe à arc, alimentée en courant continu, un miroir elliptique et un filtre dichroïque, chargé de laisser passer la lumière tout en filtrant la chaleur (rayons infrarouges produits par la lampe).

La lampe est constituée de deux électrodes pointues, légèrement écartées. La lumière est produite par un arc électrique entre ces électrodes. Initialement, les électrodes étaient en charbon et sous air ; elles se consumaient au fur et à mesure et le projectionniste devait régler la position des charbons plusieurs fois durant la projection, et les changer fréquemment. Il y a eu ensuite un système d'avancement automatique (vis sans fin). Maintenant, les électrodes sont métalliques, et enfermées dans une ampoule en quartz remplie de gaz xénon sous pression . La puissance des lanternes va de 900 W à 10 kW pour les très grandes salles.

L'amorçage de l'arc provoque une onde électromagnétique qui provoque des parasites dans le système de son (qui diffuse de la musique avant la projection) ; celui-ci est donc parfois coupé brièvement à l'allumage.

Le miroir est un ellipsoïde de révolution tronqué. L'arc est placé au foyer de l'ellipse, la lumière converge donc vers l'autre foyer (une propriété des miroirs elliptiques). Le film est mis de sorte que la lumière éclaire toute l'image, mais ne déborde pas, afin de récupérer le maximum de luminosité. On utilise soit des miroirs dichroïques, ou « miroirs froids », qui laissent passer les rayons infrarouges et ne réfléchissent que la lumière, soit des miroir entièrement réfléchissants, dits « miroirs chauds » ; ceux-ci sont refroidis par une circulation d'eau.

Le second foyer de l'ellipse correspond au centre optique de l'objectif. Le film est placé dans le plan focal de l'objectif, afin d'avoir une image nette à l'écran. La mise au point consiste à déplacer l'objectif afin de faire coincider le plan focal avec le film.

Certains projecteur fonctionnent à 25 images/seconde avec une lampe à courant alternatif (lampe HMI), avec les mêmes inconvénient que la retransmission télévisée (son légèrement plus aigu, mouvement légèrement plus rapide). Cependant, ce dispositif est rare, les lampes HMI sont plutôt utilisées dans les projecteurs vidéo à matrice LCD.

Avancement du film et projection

Le défilement des images devant l'objectif est saccadé. Ce mouvement saccadé est produit à partir d'un mouvement de rotation continu (simple moteur électrique), transformé par un dispositif appelé croix de Malte.

Lorsque l'image avance, le faisceau lumineux est intercepté par un obturateur, afin d'éviter le phénomène de « filage ». L'obturateur est un dispositif tournant en forme d'hélice ou de cône tronqué et percé, laissant passer la lumière par intermittence. Lorsque l'image est fixe, la projection se fait en deux fois, le faisceau lumineux est interrompu au milieu de la projection, afin d'éviter un phénomène de scintillation, désagréable à la vue. Il y a donc 24 images différentes par seconde, mais 48 projections par seconde.

Le film, déroulé depuis bobine de départ, arrive par le haut du projecteur, passe dans le couloir de projection, ressort par le bas et vient s'enrouler sur la bobine de réception. Le tirage du film hors de la bobine de départ et son enroulement sur la bobine réceptrice est lui continu, ceci pour deux raisons :

• afin de ne pas risquer de casser le film ;
• la lecture du son nécessite un défilement continu.

Il y a donc, avant et après le couloir de projection, une boucle d'amortissement. Lorsque l'image est immobile devant la fenêtre de projection (les 3/4 du temps), la boucle du haut s'agrandit et celle du bas se raccourcit. Lorsque l'image avance (1/4 du temps), la boucle du haut se raccourcit et celle du bas s'agrandit.

Image manquante
Cinema_projection_4_temps.png
Image:Cinema projection 4 temps.png

La projection se fait donc en quatre temps :

1. 1^re projection de l'image ;
2. obturation pour éviter la scintillation, le film reste fixe devant le couloir de projection ; la boucle du haut s'agrandit, celle du bas diminue ;
3. 2^e projection de l'image ; la boucle du haut s'agrandit, celle du bas diminue ;
4. avancement du film devant la fenêtre de projection ; l'obturateur est fermé, la boucle du haut diminue, celle du bas s'agrandit.

A la place d'une croix de Malte, certains appareils de projection (et de prise de vues) utilisent une double came de Trézel pour l'entraînement saccadé du film. Ce mécanisme, plus difficile à réaliser, plus volumineux mais aussi plus souple et plus silencieux que la croix de Malte, est également plus coûteux.

Déroulement et enroulement du film

La projection vidéo

Contrairement au cinéma, l'image vidéo est sous la forme d'un signal électrique, qu'il soit analogique ou numérique. Il parvient au projecteur par onde hertzienne (télévision, antenne satellite), par câble, ou bien est sur support magnétique (magnétoscope) ou numérique (disque dur d'ordinateur, CD-ROM, DVD).

Voir l'article détaillé Signal vidéo.

Pour restituer ce signal, il faut une chaîne comparable à celle utilisée pour l'affichage sur un téléviseur (tuner hertzien, démodulateur, ou lecteur local).

Projecteur tri-tube

Les projecteurs tri-tube ont été très utilisé jusqu'à la fin des années 1990 où ils ont été rtemplacé par les projecteurs monotube.

Il s'agit en fait de trois tubes cathodiques (trois écrans de télévisions) placées devant des lentilles : le signal étant décomposé en trois composantes rouge, vert et bleu (RVB), chaque télévision n'affiche qu'une seule composante. On a en fait trois télévisions noir et blanc placées derrière un filtre ; la lentille focalise la lumière émise par les tubes cathodiques sur l'écran de projection.

L'image doit être suffisamment lumineuse, la tension d'accélération est donc plus élevée que pour une télévision classique, de l'ordre de 30 à 50 000 volts.

Lors de l'installation du projecteur, il faut effectuer plusieurs réglages ; pour cela, chaque tube affiche une grille (mire) :

• faire la mise au point pour chacun des trois lentilles ;
• corriger la déformation des grilles, due aux effets de bord et à l'inclinaison du faisceau ;
• s'assurer que les trois faisceaux convergent sur l'écran (superposer les grilles pour former une grille blanche)

Projecteur monotube

Les projecteurs monotube sont apparu au milieu des années 1990. Il s'agit en fait de trois écrans à cristaux liquides, un par couleur primaire (rouge, vert, bleu), éclairés en transparence par une puissante lampe à décharge (lampe HMI).

Les trois faisceaux colorés se superposent dans le projecteur, et ce faisceau est ensuite projetté de manière classique par un objectif.

Ces appareils se dérèglent très peu, le réalignement des écrans nécessite le démontage de l'appareil.

Mur d'écrans

Une troisième solution de projection vidéo consiste à avoir un mur d'écran. Il peut s'agir d'écrans cathodique ou d'écrans à cristaux liquide ; chaque écran affiche une portion de l'image.

Le cinéma numérique

Le cinéma numérique n'est ni plus, ni moins qu'une projection vidéo à haute résolution : l'image vidéo classique est décomposée en 625 lignes (système PAL ou Secam), il en faudrait 4 000 pour atteindre une résolution similaire à la pellicule argentique de la projection cinématographique classique.

Lien externe

• Les dossiers techniques de la CST (Commission supérieure technique de l'image et du son)

See also: Techniques de projection cinématographique, 16 mm, 1989, 35 mm, Années 1950, Années 1990