La photographie numérique, comment ça marche ?

Christophe Noël (<A HREF=http://studio.posse-press.com target=_blank>Studio Multimédia</A>)
28 novembre 2001 à 17h05
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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.
Modifié le 01/06/2018 à 15h36
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