TP Approche documentaire : L appareil photographique numérique

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1 TP Approche documentaire : L appareil photographique numérique C est en 1975 que fut testé avec succès le premier appareil photo numérique. Ce premier prototype, développé par l ingénieur Stevens Sasson de la société Eastman- Kodak, faisait la taille d un grille- pain (cf. figure ci- dessous). La première photo numérique fut prise en décembre Il s agissait d une image en noir et blanc composé de pixels. Il a fallu 23 secondes pour l enregistrer et autant de temps pour l afficher sur un écran de télévision! Cependant, l ère de la photo numérique venait de commencer. Par opposition à un appareil photographie argentique, un appareil photographique numérique, ou APN, est un appareil photographie qui recueille la lumière sur un capteur électronique (plutôt que sur une pellicule photosensible), de type capteur CCD (pour Charged Couple Device, c est- à- dire Dispositif à Transfert de Charges permettant de transformer l information lumineuse portée par les photons en information électronique, portée par des électrons). Le but de ce TP est d apprendre le fonctionnement d un appareil photo numérique, ainsi que les réglages optiques (distance focale, ouverture, temps d exposition, sensibilité) et leurs conséquences sur la qualité des images pour pouvoir choisir, quelle que soit la situation, les meilleurs réglages d un boîtier réflex.

2 2 TP O7 : L appareil photographique numérique (APN) 1. Principe de fonctionnement d un APN 1.1. Composition Mis à part quelques détails de structure qui diffère selon le modèle et le type d appareil, les réflex numériques actuels fonctionnent tous sur le même principe et se composent tous selon le schéma suivant : 1 Parcours de la lumière. Les flèches jaunes représentent le trajet de la lumière au travers de l objectif, jusqu'au viseur et au capteur. En réalité, le trajet de la lumière n est pas aussi rectiligne puisqu elle passe au travers des éléments optiques puis est redirigée par un miroir vers un capteur de mise au point automatique ou vers le verre de visée, ou encore à travers l obturateur jusqu au capteur 2 Les éléments optiques. Les objectifs contiennent un certain nombre de lentilles, en verre, plastique ou autres polymères. Ces éléments peuvent se déplacer en fonction du mouvement d autres éléments comme le zoom ou le stabilisateur optique de l objectif. 3 Le miroir. Le miroir est un composant argenté qui bascule verticalement afin de diriger la lumière vers le système de visée et la mesure de l exposition. Une partie de cette lumière est dirigée vers les composants de mise au point automatique. 4 Verre de visée. Lorsque le miroir est abaissé, la lumière qui traverse l objectif st focalisée sur ce verre. 5 Le pentaprisme. Ce composant optique est un bloc de verre non dispersif permettant de transmettre la lumière tout en inversant l image du verre de visée de 90, ceci afin d afficher correctement (c est- à- dire "dans le bon sens") l image dans le viseur.

3 TP O7 : L appareil photographique numérique (APN) 3 L effet du pentaprisme sur l orientation de l image est schématisé sur la figure ci- dessous : 6 La mesure d exposition. Dans un réflex numérique, la mesure d exposition calcule la luminosité que va avoir la photo, c est- à- dire la quantité de lumière parvenant jusqu au capteur. Cette mesure se fait en utilisant un ensemble de collimateurs. Ces collimateurs peuvent être répartis sur tout le cadre (mesure d exposition matricielle), seulement sur la zone centrale de l image (mesure d exposition spot) ou enfin sur tout le cadre mais en accordant une plus grande importance au centre de l image dans le calcul de luminosité (mesure d exposition pondérée centrale). De cette mesure, l appareil ajuste les réglages afin d avoir une image ni trop exposée, ni trop peu (en mode automatique), ou indique à l utilisateur s il doit réajuster ses réglages (en mode manuel). 7 Le viseur. Le viseur est un dispositif permettant de voir l image telle qu elle apparaît sur le verre de visée. Un réglage dioptrique (équivalent à celui du collimateur dans le TP précédent) permet d ajuster la netteté du viseur à votre vue. Certains viseurs diposent de plus d un système de fermeture qui empêche la lumière extérieure de rentrer par le viseur et de pertuber la mesure d exposition. 8 L autofocus (AF). Une partie non négligeable de la lumière qui pénètre dans l objectif est dirigée vers le capteur d autofocus (terme anglais signifiant mise au point automatique). La plupart des appareils réflex possèdent un autofocus fonctionnant sur la méthode de détection de phase (ou contraste de phase), utilisant un système télémétrique constitué de capteurs CCD placés au fond du boîtier, dont le principe est basé sur la corrélation de phase (ou de contraste) des différentes zones d autofocus. 9 L obturateur et le capteur. L obturateur est une paire de rideaux mobiles verticaux qui s ouvre afin de créer un espace laissant passer la lumière provenant de l objectif. Le capteur est composé de photosites sensibles à la lumière. Ils enregistrent l image et la transfèrent à une puce de traitement du signal. L image est ensuite stockée sur la carte mémoire Gros plan sur le capteur Le capteur d un APN est un composant électronique sensible à la lumière (cf. figure ci- contre), permettant de convertir les photons focalisés sur le capteur par l objectif du réflex en électrons par conversion optoélectronique. Ces électrons sont traduits ensuite sous forme numérique afin de produire une image qui s affichera sur l écran LCD de l appareil et sera sauvegardée sur la carté mémoire. Ce fichier numérique pourra ensuite être transféré vers un ordinateur ou une tablette numérique pour être modifié ou imprimé.

4 4 TP O7 : L appareil photographique numérique (APN) Deux types de capteurs sont utilisés en photo numérique. Ils portent respectivement l acronyme de CCD (Charge Coupled Device) et de CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor). Il n est pas indispensable de connaître les différences techniques qui distinguent ces deux types de capteurs. Capturer la lumière Chaque zone du capteur est divisée en pixels, organisés en lignes et en colonnes, pour former une matrice de points sensibles à la lumière. Le pixel est donc le plus petit élément d une image numérique. Pour un appareil photo de 21 mégapixels, la matrice se compose de colonnes et de lignes, formant une proportion de 3/2 entre la largeur et la hauteur de l image, permettant d imprimer la totalité d une image au format cm. Ce rapport, très utilisé en photo numérique n est pas le seul existant. Ainsi, les appareils dits 4/3, tels que ceux développés par Olympus ou Panasonic, appliquent un rapport de 4/3 entre la largeur et la hauteur de l image. Un APN au format 4/3 de 12,3 mégapixels par exemple possède ainsi une matrice de pixels. Les capteurs des appareils photo numériques utilisent des optiques microscopiques, une par photosite, pour focaliser les rayons lumineux sur la surface sensible de chaque pixel. Ces micro- objectifs (dont l un est schématisé sur la figure ci- dessous) ont pour fonction de concentrer la lumière entrante sur la zone photosensible et de corriger l angle d incidence de la lumière entrante afin que celle- ci soit focalisée sur le centre de la surface active du photosite. Pendant la durée d exposition, chaque pixel reçoit un certain nombre de photons, définissant la teinte du pixel. Ainsi, si pas ou très peu de photons sont reçus pendant la durée d exposition, le pixel enregistrera un noir pur. Plus le pixel reçoit de photons, plus le point de l image correspondant à ce pixel sera clair, ceci jusqu à un certain niveau au- delà duquel le pixel devient blanc (on dit alors qu il y a saturation). Entre ces deux valeurs extrêmes, correspondant au noir pur et au blanc, toute une échelle de gris est obtenue ou, en fonction du filtrage opéré, de rouge, vert ou bleu.

5 TP O7 : L appareil photographique numérique (APN) 5 Bruit et sensibilité La grande faiblesse des capteurs électronique est d introduire du bruit dans l image. Ce bruit ressemble à un grain sur l image, qui vient s ajouter de façon aléatoire aux détails de la scène photographiée. Le bruit est d autant plus visible dans les zones peu éclairées de l image et dans les zones uniformes (par exemple sur un ciel bleu). Lorsque le bruit est trop important, le signal n est plus visible. Imaginez- vous au volant d une voiture décapotable, écoutant un CD. A l arrêt, la musique est audible. Mais, en roulant de plus en plus vite, le bruit extérieur l emporte, rendant la musique progressivement inaudible. C est la même chose pour le bruit en photographie. Il existe différentes origines du bruit : - le bruit thermique (ou bruit de Johnson- Nyquist), qui est dû à l agitation naturelle des électrons, qui génère donc un signal même lorsqu aucun photon n est reçu par le pixel. Ce bruit augmente avec la température du capteur. - le bruit de grenaille (ou bruit de Schottky), qui se produit lorsque le nombre de particules transportant l information est suffisamment faible pour donner lieu à des fluctuations statistiques perceptibles. Notons que le bruit est proportionnel à l augmentation de la sensibilité ISO choisie et au temps d exposition de l image. Il faut donc, lorsque cela est possible, toujours privilégier des valeurs ISO les plus faibles possibles. Comment se forme la couleur? Les photosites des capteurs électroniques ne sont pas sensibles à la couleur. La couleur est donc obtenue avec des filtres colorés placés devant les photosites. Chaque pixel est ainsi constitué de 4 photosites, chacun munis d un filtre de couleur : deux verts, un rouge et un bleu, le vert prédominant car correspondant au maximum de sensibilité de l œil humain. Généralement, la matrice de photosites est organisée selon le motif Bayer (cf. figure ci- dessous) : une rangée alterne les pixels verts et rouges et la suivant les pixels verts et bleus Objectifs L objectif est un composant essentiel de l appareil photo et la possibilité de changer les objectifs est l un des avantages principaux des boîtiers réflex. Tous les objectifs sont désignés par deux grandeurs : - leur distance focale (une valeur en mm pour les objectifs à focale fixe ou une plage de valeurs en mm pour les objectifs à focale variable) - leur ouverture maximale (une valeur en f/ )

6 6 TP O7 : L appareil photographique numérique (APN) La distance focale correspond à la distance qui sépare le centre optique de l objectif de l image d un objet situé à l infini (donc le plan focal image). La distance focale donne une indication sur l angle effectivement embrassé par l objectif et la notion de zoom. Plus la distance focale est courte, plus l angle couvert est large : on parle alors d objectifs grand- angle (distance focale inférieure à 35 mm). Au contraire, plus la distance focale est grande, moins l angle couvert est large, mais plus les détails situés à grande distance pourront être appréhendés : on parle alors de téléobjectifs (distance focale supérieure à 80 mm). Les deux grandes familles d objectifs (grand- angle et téléobjectifs) sont séparées l une de l autre par une valeur moyenne, la "focale normale", qui correspond à peu près à l angle de champ de la vision humaine. Pour des capteurs mm (capteurs full- frame), cette "focale normale" est d environ 50 mm. Cette série d images a été réalisée à partir d un point de vue unique (appareil fixe) et montre l influence de la focale de l objectif sur le champ couvert et le zoom. A noter que comme le point de vue est fixe, la perspective d une image à l autre est la même quelle que soit la focale utilisée.

7 TP O7 : L appareil photographique numérique (APN) 7 L ouverture maximale de l objectif correspond à l ouverture maximale du diaphragme de l objectif. Le diaphragme correspond à un ensemble de lamelles mobiles, situées à l intérieur de l objectif entre les groupes de lentilles avant et arrière. Un mécanisme fait varier l ouverture de ce diaphragme et permet de modifier la quantité de lumière atteignant le capteur. Le diaphragme est d autant plus ouvert que la valeur indiquée sur l objectif ou dans le viseur est faible (cas de gauche sur la figure ci- dessous, correspondant à une ouverture typique de f/2) et le diaphragme est d autant plus fermé que la valeur indiquée sur l objectif ou dans le viseur est grande (cas de droite sur la figure ci- dessous, correspondant à une ouverture typique de f/16). L ouverture N = f/d est le rapport entre la focale de l objectif et le diamètre du diaphragme. Par convention, sur un objectif, l ouverture est généralement exprimée sous la forme f/n, c est- à- dire la valeur de la focale divisée par le rapport d ouverture. Par exemple, pour un objectif de focale fixe 50 mm, l indication f/2 indique une ouverture maximale du diaphragme de 25 mm. L ouverture du diaphragme a deux conséquences : - lorsque l ouverture du diaphragme est importante, celui- ci laisse passer plus de lumière - il existe un rapport direct entre l ouverture de l objectif et la profondeur de champ. La profondeur de champ : Lorsqu on prend une photo, la mise au point est réalisée pour rendre net le sujet visé (en faisant coïncider le capteur avec le plan focal). L image est alors nette pour la distance de mise au point, mais également (et heureusement) dans une zone commençant un peu avant, et continuant un peu après l endroit de mise au point. La zone située entre le premier et le dernier plan net correspond à la profondeur de champ. Jouer sur la profondeur de champ sert principalement à isoler ou regrouper le sujet visé de son environnement. Dans le cas d un portrait, par exemple, une faible profondeur de champ permet d isoler le sujet de l arrière plan. Le regard se focalise sur le visage, et non sur ce qu il y a autour. A l inverse, dans le cas d un paysage, surtout s il est composé d éléments à des distances différentes, une grande profondeur de champ permet de rendre nets tous ces éléments. En pratique, plus l ouverture de l objectif est élevée, c est- à- dire plus la valeur en f/ est faible, plus la profondeur de champ sera faible.

8 8 TP O7 : L appareil photographique numérique (APN) L ouverture maximale de l objectif est une caractéristique essentielle, puisqu ouverture maximale élevée (faible f/ ) signifie : - objectif lumineux donc plus grande capacité à photographier en basse lumière - meilleur gestion de la profondeur de champ - rapidité et précision de l autofocus (la mesure étant faite à l ouverture maximale) - meilleure qualité optique Les modes de prise de vue non automatiques d un APN Avec un peu de pratique, vous vous apercevrez vite que dès lors que l on souhaite contrôler soi- même les paramètres de prise de vue de l appareil photo (ouverture, profondeur de champ, mise au point, temps d exposition, sensibilité, mesure d exposition, etc.), on abandonne très vite les modes automatiques proposés par l appareil photo. On utilisera plutôt les modes semi- automatiques (mode priorité à l ouverture ou mode priorité à la vitesse) voire le mode tout manuel de l appareil. Mode de priorité à l ouverture (mode Av) Comme son nom l indique, ce mode donne la priorité à l ouverture du diaphragme. Dans ce mode, l utilisateur choisit l ouverture de l objectif et la sensibilité (ISO) et l appareil adapte automatiquement la vitesse d obturation pour optimiser l exposition selon le mode de mesure d exposition choisi. Ce mode est très utilisé lorsqu on souhaite contrôler la profondeur de champ de l image (par exemple, on l utilisera pour un portrait lorsqu on souhaite avoir la profondeur de champ la plus faible possible pour isoler au maximum le sujet de l arrière plan, ou pour une photographie de paysage lorsqu on souhaite avoir une profondeur de champ suffisamment grande pour que tous les détails soient nets en même temps). Ce mode est également très utile pour des photos en très faible luminosité (dans une salle de concert par exemple). En effet, en choisissant une ouverture la plus grande possible et un réglage de la sensibilité ISO maximal, on obtient la vitesse d obturation la plus rapide possible pour exposer correctement l image et minimiser au mieux le flou de bougé. Mode de priorité à la vitesse (mode Tv) Le mode priorité à la vitesse est le mode inverse de la priorité à l ouverture. Dans ce mode, l utilisateur choisit la vitesse d obturation et la sensibilité (ISO) et l appareil adapte automatiquement l ouverture de l objectif pour optimiser l exposition selon le mode de mesure d exposition choisi. Ce mode est très utilisé lorsqu on souhaite geler des actions rapides (on choisira alors un temps d exposition très court) ou on contraire lorsqu on souhaite introduire un flou de mouvement comme dans le Light Painting (on choisira alors une vitesse d obturation longue). 2. A vous de jouer! En utilisant la partie précédente, prendre : - 3 photos illustrant le rôle de la distance focale de l objectif - 3 photos illustrant le rôle de la vitesse d obturation - 3 photos illustrant le rôle de l ouverture de l objectif - 3 photos illustrant le rôle de la sensibilité ISO.