La photographie numérique, comment ça marche ?

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Depuis sa création il y a plus de cent cinquante ans, le terme photographie signifie "écrire avec la lumière" ; l'avènement du numérique n'aura fait que moderniser le procédé et les outils, mais le principe général de la prise de vue est demeuré identique. Explications.

Introduction

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Un appareil photographique est composé de quelques composants inaliénables : la surface sensible (qui fait également office en argentique de système de stockage — la pellicule) l'objectif, le diaphragme, ainsi que le mécanisme d'obturation.

Lors de la prise d'une photographie, les rayons lumineux — dont la quantité est déterminée par l'ouverture du diaphragme — traversent l'objectif et sont déviés afin de former une image sur le mécanisme d'obturation. Ce dernier s'ouvre alors, laissant les rayons atteindre la surface sensible qui enregistre l'image ! Toute la difficulté consiste à ajuster le temps d'exposition (la durée d'ouverture de l'obturateur) à la quantité de lumière traversant l'objectif (l'ouverture du diaphragme). Une ouverture trop grande couplée à une vitesse d'obturation trop lente donnera lieu à une image sur-exposée, soit trop lumineuse ; fort logiquement, les travers opposés produiront une photographie sous-exposée, c'est-à-dire excessivement sombre. Heureusement, tous les appareils sont aujourd'hui équipés d'outils de mesure permettant d'automatiser ce processus, la plupart laissant même l'utilisateur régler manuellement l'un ou l'ensemble de ces paramètres. Nous allons maintenant détailler le rôle et le fonctionnement de ces principaux composants.

Surface sensible

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Le capteur est, au sein de l'appareil numérique, l'équivalent de la pellicule présente dans son homologue argentique. Son rôle est identique : convertir les rayons lumineux qui le frappent en une image fixe, intelligible à l'œil humain. En revanche, l'image est figée de manière différente dans les deux cas : marquage indélébile de cristaux argentiques pour l'un, suite de 0 et de 1 pour l'autre. On distingue plusieurs types de capteurs, le CCD (Charged Coupled Device) étant le plus répandu. Le CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) en représente un dérivé. Fonctionnant selon le même principe, il se distingue avant tout par son procédé de fabrication, similaire à celui des circuits imprimés et microprocesseurs. En conséquence, il possède un faible coût de fabrication et une consommation électrique réduite, ce qui lui donne des avantages de poids dans la conception de photoscopes grands publics peu onéreux. En contrepartie, ce dispositif se montre beaucoup plus sensible au bruit survenant lors de prises de vue dans des conditions de faible luminosité (le CMOS possède une sensibilité environ égale aux deux tiers de celle du CCD). Le troisième et dernier type de capteur occasionnellement rencontré au sein des photoscopes est le SuperCCD développé par Fujifilm, évolution de la technologie CCD.

CCD : fonctionnement détaillé

La surface du capteur CCD est constituée soit de multiples photosites, soit de cellules réagissant à la lumière. Chacun de ces photosites donnera lieu, sur l'image finale, à un point (ou pixel). Lorsqu'ils sont frappés par les rayons lumineux, ils produisent une impulsion électrique ; celle-ci possède une intensité proportionnelle à la quantité de lumière fournie par lesdits rayons. De même que le film argentique, le CCD possède une sensibilité, que le constructeur donne souvent en équivalent ISO. L'impulsion est par la suite codée sur un octet (suite de huit bits de valeur 0 ou 1, soit 256 possibilités différentes) grâce à un convertisseur analogique/numérique intégré au photoscope. Et... c'est tout ? Pas tout à fait, puisque jusqu'à présent, les photosites n'ont mesuré que la luminance du point (est-ce noir, gris clair, gris foncé... ?) ce qui nous donne une magnifique image... monochrome !

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Afin de reconstituer les valeurs de chrominance (est-ce rouge, violet, marron... ?) chaque photosite est recouvert d'un filtre coloré, ne laissant passer que les rayons d'une certaine température (rouge, vert, bleu en synthèse additive, mais également quelques fois cyan, magenta, jaune et noir si le CCD fonctionne en synthèse soustractive). La plupart des capteurs CCD disposent de filtres disposés de la manière suivante : bleu - vert - bleu - vert... sur la première ligne, vert - rouge - vert - rouge... sur la seconde. Ainsi, chaque photosite mesure avec précision l'intensité lumineuse d'une seule couleur primaire. Il nous manque alors toujours de l'information : les valeurs de rouge et de vert pour les pixels correspondant aux photosites recouverts d'un filtre bleu, de bleu et de vert pour ceux pourvus d'un filtre rouge, etc. Le processeur intégré à l'appareil numérique doit, pour récupérer les mesures manquantes, réaliser une interpolation de couleurs (à ne pas confondre avec l'interpolation de pixels). C'est-à-dire qu'il calcule les informations complémentaires en se basant sur la couleur mesurée par les pixels adjacents. Cette méthode donne lieu à d'excellents résultats la plupart du temps, mais révèle parfois ses limites dans des conditions extrêmes (forts contrastes notamment).

Et voilà, le tour est joué ! Puisque chaque canal de couleur est codé sur un octet, soit 256 valeurs différentes possibles, nous obtenons une étendue de 256 x 256 x 256 = 16,8 millions de couleurs envisageables (c'est le mode true color, ou 24 bits). Par ailleurs, quelques appareils milieu et haut de gamme sont capables de gérer des couleurs d'une profondeur plus importante (30 bits, 36 ou même 48 pour certains modèles professionnels). Cela permet notamment une lecture plus fidèle des zones sous ou sur-exposées, afin d'en ressortir un maximum de détails. Toutefois, l'image est le plus souvent convertie au final en mode 24 bits.

CCD et résolution

Au-delà de ces considérations techniques, la principale caractéristique du CCD est sa résolution, exprimée en millions de pixels. Elle désigne le nombre de points présents sur sa surface, et par conséquent la quantité de pixels dont sera composée l'image finale. Il va sans dire que plus celle-ci est élevée, plus l'image résultant de la prise de vue sera détaillée. Par exemple, un capteur de 2,1 MegaPixels produit des images d'une résolution maximale de 1600 x 1200 points, tandis qu'un modèle constitué de 3 MegaPixels permettra d'atteindre 2048 x 1536 points. Reportez-vous au tableau ci-dessous afin de consulter l'ensemble des correspondances.

Par ailleurs, la plupart des appareils permettent de sélectionner la résolution de prise de vue ; en autorisant la prise de vue dans une définition inférieure à la taille maximale. Voilà qui offre l'avantage de pouvoir adapter la quantité de photos qu'il est possible prendre à la quantité de mémoire dont dispose l'appareil. Car au contraire de la prise de vue argentique, dans laquelle la surface sensible (pellicule) fait également office de média de stockage, l'appareil numérique doit placer sur une mémoire séparée la suite de 0 et de 1 sortant du convertisseur analogique/numérique. Dans le cas d'une image très haute définition, cela représente un poids non négligeable (voir tableau). L'autre solution est, bien entendu, de les compresser (en Jpeg par exemple) mais cela dégrade leur qualité.

Résolution standard
de l'image

Taille de l'image
non compressée

Nombre
de pixels

Résolution standard
du capteur CCD

640 x 480

900 Ko

0,30 MPixels

1 MPixel

800 x 600

1,37 Mo

0,48 MPixels

1 MPixel

1024 x 768

2,25 Mo

0,79 MPixels

1 MPixel

1280 x 1024

3,75 Mo

1,31 MPixels

1,31 MPixels

1600 x 1200

5,49 Mo

1,92 MPixels

2,1 MPixels

2048 x 1536

9 Mo

3,14 MPixels

3,14 MPixels


L'optique : longueur focale

Le dernier point essentiel sur lequel le capteur CCD a une influence majeure est la mesure de la longueur focale de l'objectif. Mais qu'est-ce donc ? La longueur focale désigne, en millimètres, la distance séparant le plan optique (le plan sur lequel se forme l'image, soit généralement la surface sensible) et le centre optique de l'objectif, lorsque la mise au point est faite à l'infini. En termes plus pratiques et concrets, cette distance désigne le champ de vision offert par l'objectif. Plus le chiffre est petit (et donc la focale courte), plus les lentilles sont proches du plan optique, plus le champ de vision sera large. A l'inverse, une longue focale désigne un téléobjectif offrant un champ de vision extrêmement restreint. Certains objectifs sont dits à focale variable, c'est-à-dire que l'utilisateur fait varier la distance des lentilles avec le foyer image en fonction de ses besoins. Ce type d'objectif est plus connu sous le nom de zoom. La longueur focale est gravée sur le devant de l'objectif ; par exemple "50 mm", ou "6,5 - 19,5 mm" pour un modèle à focale variable.
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En argentique, le format de photographie le plus répandu est le film 35 mm produisant des négatifs d'une taille de 24 x 36 mm ; il s'agit du format employé par votre appareil compact, jetable ou reflex. Avec un tel appareil, on dira qu'un objectif est de focale normale si la longueur de celle-ci est de 50 mm. En d'autres termes, cela signifie qu'un tel système optique donnera une image dont l'échelle sera sensiblement équivalente à celle perçue à l'œil nu. Comment la focale normale est-elle déterminée ? Pour un format donné, il s'agit de la longueur la plus proche de la diagonale du négatif utilisé : 50 mm en 24 x 36 (diagonale de 43 mm) ou 80 mm en 6 x 6 (diagonale de 84 mm) par exemple.

Tous les objectifs dont la longueur focale est inférieure sont dits "grand angulaires" (ou simplement grand angle, par exemple 35 mm) tandis que ceux possédant une valeur supérieure sont dits "téléobjectifs" (par exemple 300 mm). Cependant, retenez bien que les notions de focale normale, courte et longue n'ont de sens qu'en regard du format de négatif considéré (24 x 36, 6 x 6, 6 x 9...).

Focale et CCD : l'équivalent 35 mm

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Alors, où se trouve notre rapport entre longueur focale et CCD ? Simple, nous avons vu qu'en argentique, selon la taille de la surface sensible (le négatif), la mesure de la focale normale était différente. En numérique, lorsqu'il est question d'un capteur CCD, nous parlons généralement de surfaces sensibles extrêmement petites, dont la diagonale (qui détermine la focale normale) est bien inférieure à un pouce (2,54 cm) ! Les lentilles doivent donc se trouver très rapprochées du capteur afin d'y projeter l'image ; en conséquence, les longueurs focales présentes sur les objectifs de photoscopes numériques sont incroyablement courtes. Par exemple, le modèle Canon PowerShot A20 possède un objectif 5,4 - 16,2 mm et un capteur CCD 1/2,7 pouces. Ce dernier possède donc une diagonale d'environ 0,37 pouces, soit à peu près 9,4 mm ; nous sommes bien loin des 43 mm du 24 x 36 argentique !

En conséquence, nous avons un problème d'unités : un objectif ayant une longueur focale de 5,4 mm et une surface sensible de 9,4 mm de diagonale donnera une image totalement différente d'un modèle de 5,4 mm, employé sur un appareil 24 x 36 disposant de 43 mm de diagonale (il s'agirait d'un super grand angle) ! Impossible donc, de se faire une idée du champ de vision offert par l'objectif de ce PowerShot. C'est pourquoi le constructeur de photoscopes numériques indique toujours l'équivalence 35 mm de ses objectifs, car il s'agit du format le plus répandu, celui avec lequel la plupart des photographes sont familiers. En l'occurrence, il s'agit ici d'un classique équivalent de 35 - 105 mm, qui offrira un champ de vision allant du modeste grand angle au très raisonnable téléobjectif.

Histoire de compliquer un poil l'ensemble, sachez que les appareils numériques n'emploient pas tous le même capteur : selon sa taille et sa résolution, les mesures de longueur focale sont donc différentes !

Sans l'équivalence donnée par le constructeur, il est donc impossible de comparer des objectifs par la seule lecture de leurs caractéristiques.

L'exposition : diaphragme et obturateur

Le diaphragme est un mécanisme présent sur l'objectif, dont le principe de fonctionnement est semblable à celui régissant l'iris de notre œil. De manière pratique, ce dernier se ferme lorsque nous sommes face à une forte lumière et, réciproquement, s'ouvre au maximum dans le cas inverse. Dans un appareil photo, le diaphragme est donc tout simplement le dispositif permettant d'ajuster la quantité de lumière traversant l'objectif ! Voilà ce que l'on appelle communément l'ouverture de l'objectif ; elle s'apprécie à l'aide de valeurs normalisées qui sont les suivantes :
1 - 1,4 - 2 - 2,8 - 4 - 5.6 - 8 - 11 - 16 - 22 - 32 - 45...


Le chiffre "1" représente l'ouverture maximale. Chaque fois que nous fermons le diaphragme d'un cran, par exemple "1,4", puis "2", etc. nous diminuons de moitié la quantité de lumière traversant l'optique de l'appareil. La règle est donc simple : plus le chiffre est petit, plus il y a de lumière qui passe ! L'ouverture de l'objectif est gravée sur la bague frontale de celui-ci, et précédée de la lettre "f" (par exemple, "f2"). Quelquefois, sur les objectifs à focale variable, plusieurs valeurs sont indiquées. Pourquoi ? Simplement parce que l'ouverture maximale diffère selon la focale considérée : plus faible en position téléobjectif, maximale et position grand angle.

Les vitesses d'obturation sont elles aussi standardisées :
2 - 1 - 1/2 - 1/4 - 1/8 - 1/15 - 1/30 - 1/60 - 1/125 - 1/250 - 1/500 - 1/1000...

L'unité employée est la seconde, et les vitesses sont ici présentées dans l'ordre décroissant : pose longue au départ (2 secondes) et ultra-rapide à l'arrivée (1/500è de seconde !). Chaque passage d'une valeur à l'autre double ou diminue de moitié l'exposition. Ainsi, les couples diaphragme/vitesse suivant produiront une exposition identique : f5,6 à 1/250, f8 à 1/125 ou encore f4 à 1/500.

La profondeur de champ

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La profondeur de champ désigne la zone de netteté d'une photographie : tout se qui se trouve en dehors apparaîtra flou. Elle dépend de plusieurs lois d'optique, qu'il serait fastidieux et inutile de détailler ici. En conséquence, retenez simplement les règles suivantes :
- Plus le diaphragme est ouvert, moins la profondeur de champ est importante.
- Plus la focale est longue (téléobjectif), moins la profondeur de champ est importante.
- A focale et ouverture identique, plus le plan de mise au point (le sujet) est rapproché, moins la profondeur de champ est importante.
- La profondeur de champ s'étend plus vers l'arrière que l'avant du plan de mise au point (c'est pourquoi il est souvent recommandé de procéder à la mise au point sur le premier tiers avant d'un sujet, si celui-ci s'y prête).

Ces règles d'optique fonctionnent assez logiquement aussi bien en numérique qu'en argentique. En revanche, à cause de la nature des capteurs CCD et de la taille de leurs éléments sensibles, la profondeur de champ est bien plus importante — dans tous les cas — avec un photoscope numérique. En l'occurrence, n'hésitez pas à user et abuser des règles précitées. Par exemple, pour isoler un sujet sur un fond flou, il faudra probablement s'en éloigner au maximum et travailler en position téléobjectif, puis privilégier les vitesses d'exposition courtes afin d'ouvrir un maximum le diaphragme. Dans tous les cas, le numérique permet d'expérimenter à loisir : profitez-en !

Zoom optique et numérique

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Terminons notre voyage dans l'optique de l'appareil numérique en évoquant les différents types de zoom. De manière traditionnelle, nous venons de voir que grossir une image consiste à augmenter la longueur focale d'un objectif. Si ce dernier est de bonne qualité, la photographie en résultant ne doit souffrir d'aucun artefact, puisqu'il ne il s'agit que d'employer de simples règles d'optique. En revanche, le zoom numérique présent sur la plupart des appareils est, pour sa part, à proscrire. En effet, il procède de manière logicielle, en recadrant une partie de l'image et en calculant les nouveaux pixels par interpolation. Il en résulte une image truffée artefacts en tous genre : contours des objets très marqués, bruit, effets d'escalier, etc. A fuir comme la peste donc, et surtout, ne pas se faire avoir par le département marketing des constructeurs, pour qui la confusion représente une véritable aubaine.

Mesure de lumière

Maintenant que nous avons décrit les composants essentiels du photoscopes numériques, revenons un instant sur le processus de prise de vue. La quasi-totalité des appareils photo intègre une cellule dont le rôle consiste à mesurer la quantité de lumière réfléchie dans la scène, afin d'ajuster en conséquence l'ouverture du diaphragme et la vitesse d'obturation. Soit cette opération est réalisée de manière totalement transparente et automatique, soit l'appareil en laisse totalement ou partiellement le contrôle au photographe.

Comme en argentique, en effet, on rencontre différents programmes sur les photoscopes. Les deux principaux sont la priorité vitesse (S, pour Speed — vitesse) qui permet de régler la rapidité d'obturation, l'appareil ouvrant et fermant le diaphragme en conséquence, et la priorité diaphragme (A, pour Aperture — Ouverture) consistant à régler la quantité de lumière traversant l'objectif tandis que l'appareil ajuste la vitesse d'obturation en fonction. Plus rarement sur des appareils d'entrée et milieu de gamme, il est possible de régler les deux paramètres indépendamment. Mais quel intérêt ?
Selon la nature du sujet photographié, il est courant de vouloir favoriser l'un ou l'autre des paramètres : une photo sportive réclame généralement une vitesse d'obturation très élevée afin d'éviter l'obtention d'un sujet flou. A l'inverse, en nature morte ou en macrophotographie (par exemple) on favorisera avant tout l'ouverture du diaphragme dans le but de maîtriser la profondeur de champ. Ces astuces sont d'ailleurs bien souvent le principe régissant les programmes "sport", "paysage", etc. que l'on rencontre parfois sur les appareils photos.

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Par ailleurs, il arrive que la cellule intégrée aux photoscopes se révèle inadaptée à une situation particulière. La plupart du temps, elle fonctionne selon le principe TTL : Through The Lens, à travers la lentille. Cela signifie que la lumière mesurée est exactement celle parvenant au capteur, puisque la cellule est placée à côté de celui-ci. C'est le système le plus précis. En revanche, toutes n'emploient pas les mêmes méthodes de mesure : globale, pondérée centrale, Matricielle (ou segmentée) et spot (ou sélective). La première relève la lumière sur la totalité de la scène, et en calcule une moyenne ; cela convient aux photographies présentant un faible contraste, mais donne des résultats extrêmement mauvais dans des cas plus extrêmes (sujet en contre-jour). La seconde privilégie la zone centrale de l'image, celle dans laquelle le photographe moyen place généralement son sujet. La troisième résulte généralement de l'interaction de plusieurs cellules, chacune mesurant une partie de l'image. Quelquefois appelée mesure multizone intelligente, elle permet d'identifier et d'exposer correctement diverses situations : sujet lumineux décentré (un lampadaire de nuit par exemple) sujet à contre-jour, etc. Enfin, la mesure sélective ne s'occupe que d'une partie très réduite de l'image, et n'est donc à employer qu'en parfaite connaissance de cause, dans un but bien particulier.

Correction d'exposition

Si malgré tout, votre photoscope ne vous offre aucun système de mesure correct ou adapté à une situation précise, il est souvent possible de recourir à la correction d'exposition. Celle-ci se mesure à l'aide des indices de lumination (IL, ou EV pour Exposure Value) ; il s'agit d'une série de nombres fixés de manière arbitraire désignant chacun un couple vitesse/diaphragme. Lorsque l'on passe d'une valeur IL à l'autre, on double ou réduit de moitié l'exposition de la photographie. Ainsi, la plupart des photoscopes offrent l'opportunité de corriger manuellement l'exposition de +/- 1, 2 ou parfois 3 IL, souvent par palier de 1/2 ou de 1/3 d'IL. Une valeur positive augmentera la luminosité de la photographie, tandis qu'une valeur négative produira l'effet inverse. Généralement, l'appareil procède en ajustant la durée d'exposition (plutôt que le diaphragme). Les résultats d'une très légère correction d'exposition sont parfois étonnants et donnent d'excellents résultats : n'hésitez donc pas à expérimenter !

Balance des blancs

La balance des blancs est à l'appareil photo numérique ce que les différents types de pellicules (daylight, tungsten) et filtres correcteurs sont à son homologue argentique : le moyen de maîtriser la température de couleur (ou plus simplement la couleur) des sources lumineuses. Celle-ci se mesure en degrés Kelvin : 0° K = -273° C. La lumière chaude du soleil possède une dominante bleutée, tandis que les lumières plus froides (tous les éclairages artificiels) produisent une couleur orangée. Afin de reproduire fidèlement une scène, l'appareil numérique a besoin d'une base sur laquelle établir l'étalonnage des couleurs. Cette base est le blanc. Or, celui-ci est grandement influencé par le type d'éclairage de la scène, c'est pourquoi il est nécessaire d'indiquer à l'appareil ce qu'il doit considérer comme blanc, afin d'obtenir un étalonnage des couleurs correct. Cela se fait généralement en présentant un bout de carton blanc dans le viseur, placé sous un éclairage évidemment identique à celui du sujet, et en pressant le bouton adéquat. Toutefois, beaucoup d'appareils n'autorisent pas le réglage manuel des blancs ; il faut alors recourir aux modes préréglés dont il dispose. Ces derniers sont au minimum deux : intérieur (correction de la dominante orangée) et extérieur (élimination de l'aspect bleuté). Quelques modèles sont pourvus de plus de possibilités : soleil, nuages, ombre éclairage tungstène, néons, etc. permettant d'ajuster les couleurs avec plus de finesse. Dans tous les cas, le choix d'un programme adéquat ou le réglage manuel des blancs s'avère indispensable si vous ne souhaitez pas, par exemple, transformer systématiquement vos amis en peaux rouges...
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A droite, réglage des blancs en position intérieure
La dominante bleutée provient du fait que l'appareil essaie de compenser une température de couleur froide (donc orangée).

A vos déclencheurs !

Vous connaissez à présent les principaux aspects de la photographie en général, et du numérique en particulier. Nous en avons détaillé les principes essentiels mais évidemment, chaque constructeur assaisonne ensuite le plat à sa propre sauce. Ainsi, nous trouvons fréquemment une foule d'options supplémentaires dans les photoscopes, souvent utiles, parfois superflues : prise de vue en mode rafale, réduction des yeux rouges, flash, retardateur, etc. Dans tous les cas de figure, l'essentiel est de se rappeler que l'appareil photographique n'est avant tout qu'un outil au service du photographe.
Modifié le 01/06/2018 à 15h36
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