IMAGES NUMERIQUES PHOTOGRAPHIE NUMERIQUE

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1 IMAGES NUMERIQUES PHOTOGRAPHIE NUMERIQUE V Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 1

2 IMAGES NUMERIQUES PHOTOGRAPHIE NUMERIQUE Ce document est composé de trois parties : La première partie fournie quelques notions de base sur les images numériques. Poids des images. Principe de fonctionnement des imprimantes laser et jet d encre. Résolution, linéature dpi, lpi... Physiologie de l œil et résolution. Facteur d échelle. Scanners à plat et scanners de diapos. (réflexion et transmission) Format de compression. Problème de moiré. Impression. La deuxième partie fait le point sur les caractéristiques et les limitations des appareils photographiques numériques (APN) : Cette partie est très technique. Capteur CCD - résolution - sensibilité - sensibilité spectrale. Influence des différents types de bruit. CCD et Trichromie. Gain et sensibilité. Profondeur de champ. Diffraction Dynamique Focale équivalente Stockage. Autonomie électrique. Ergonomie. La troisième partie rassemble : Une liste d utilitaires indispensables en infographie. Le calcul théorique de la profondeur de champ. Une galerie de photos.(pour la version couleur de ce document) Tous les tests et photos sont disponibles sur Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 2

3 Poids d une image La caractéristique principale d une image est son poids : c est à dire, la taille informatique du fichier image Poids = Largeur Hauteur Profondeur La profondeur dépend du nombre de couleurs de l image. La couleur peut être codée sur : 1 bit = image en noir et blanc appelée aussi image au trait. 8 bits = 1 octet : 2 8 = 256 possibilités de nuances de gris ou 256 couleurs (GIF) 24bits = 3 octets : 2 24 =16 Millions de couleurs. En 24 bits, chaque composante de la couleur: R(ouge), V(ert) et B(leu) est codée sur 8 bits. Les images JPEG sont codées sur 24 bits. Tous les photoscopes délivrent des photos en 24 bits. 30 bits : 2 30 = 1 milliard de couleurs 36 bits : 2 36 = 68 milliards de couleurs (pour les meilleurs scanners) Une image en 256 couleurs ou en 256 niveaux de gris pèse = 250 ko Une image en millions de couleurs pèse = 3,8 Mo Une image provenant d un appareil photo Tri-Megapixels pèse Μο Les tailles courantes d images provenant d un appareil photo numérique sont : Longueur Hauteur Poids Nb de pixels Dénomination effectifs ,49 Mo 1,92 MPixels Bi-megapixel (UXGA) Mo 3,14 MPixels Tri-megapixel (SUXGA) Mo 3,9 MPixels 4,1-Megapixel Mo 4,9 MPixels 5,2-Megapixels Mo 6 MPixels 6 MPixels Mo 10 MPixels 10 MPixels Mo 12 MPixels 12 MPixels A titre de comparaison, une bonne émulsion photo capture l équivalent de 25 millions de pixels ( pixels) ce qui correspondrait à un fichier d environ 75 Mo! Le nombre de pixels effectifs peut être inférieur au nombre de pixels total du capteur. Imprimantes laser principe laser : Le fonctionnement de ces imprimantes, proche de la technologie des photocopieurs, consiste au balayage par laser d'un rouleau photosensible. Le tambour préalablement entièrement chargé se décharge ponctuellement au passage du rayon laser dévié par plusieurs lentilles et un miroir octogonal tournant, provoquant le balayage de la feuille. Les fines particules de toner n adhèrent qu aux emplacements du tambour où le laser a provoqué les décharges. - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 3

4 Cette encre sera ensuite incrustée dans le papier par action de la chaleur produite par des rouleaux prenant en charge la feuille. La qualité de l impression est très supérieure à celle des imprimantes à jet d encre car l encre ne diffuse pas : on peut imprimer même sur du papier buvard avec d excellents résultats. De plus l encre «cuite» résiste bien plus longtemps au rayonnement lumineux. Qualité, rapidité, économie. Ci-contre CANON LBP-810: 8 vraies pages à la minute. Ce qui est exceptionnel pour une imprimante sans processeur (pas compatible LINUX) Double connectique permettant de la brancher en même temps sur deux ordinateurs différents: ordinateur de bureau sur port parallèle, ordinateur portable sur port USB (à condition de ne pas imprimer simultanément) Canon LBP-810 : très rapide : testée, approuvée et achetée Les lasers impriment vite et bien. Le coût de revient à la page est environ 5 fois inférieur à celui d une jet d encre. Imprimantes jet d encre Le principe d'impression est basé sur la projection de micro-gouttes d'encre issues des cartouches par l'intermédiaires de buses sous la pression d un quartz piézo-électrique. Les imprimantes possèdent deux cartouches généralement : une cartouche noire et une cartouche couleur (tricolore : cyan, magenta et jaune). Le rendu des couleurs est réalisé par «synthèse soustractive». les trois couleurs mélangées produisant du noir (en fait, l'impureté des encres entraîne une couleur brun foncé, raison pour laquelle la cartouche noire à été rajoutée : procédé trichromique étendu à un procédé quadrichromique). L impression en qualité photo est souvent très lente (10 min pour 4 photos assemblées sur une feuille A4) Le coût à la page d un jet d encre est souvent prohibitif car les constructeurs ont institutionnalisé un véritable racket sur les consommables. (papier et cartouches). (les cartouches HP incluent la tête d impression contrairement aux cartouches Epson : si buses bouchées retour SAV Epson...) HP jet d encre Les jets d encre impriment lentement. Les tirages obtenus sont chers et éphémères. Conclusion : Les imprimantes jet d encre et laser ne peuvent pas reproduire les photos en tons continus. Elles simulent des niveaux de gris (laser) ou des niveaux de couleurs (jet d encre) en créant une trame. - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 4

5 Résolution physique - Résolution pratique - linéature La représentation d'un pixel écran sur le papier exige l impression de nombreux points colorés dont l'assemblage visuel va approcher la nuance attendue : La trame. Chaque pixel écran est représenté par un point de trame. Chaque point de trame est en réalité constitué d une mosaïque de points «élémentaires» dits «points papiers». Ils correspondent aux plus petites gouttes que l imprimante est capable de projeter. La taille de ces gouttes élémentaires et leur densité constitue une des caractéristiques importantes des imprimantes. Un point de trame est constitué d une mosaïque de points papiers. La densité de points papiers s appelle la résolution physique de l imprimante. Elle est souvent exprimée en «points par pouce» ou «dots per inch» (dpi). C est cette résolution qui est mise en avant par les fabricants: 720 dpi, 1440 dpi La densité de points de trame s appelle la linéature ou résolution pratique de l imprimante. Elle est exprimée certaines fois en «lignes par pouce» ou «line per inch» (LPI ) Cette résolution n est jamais fournie par les constructeurs : il s agit pourtant de LA grandeur essentielle. Explication : Lorsqu'un constructeur annonce que son imprimante a une résolution de 1200 dpi, cela ne signifie pas que l'imprimante est capable d'imprimer 1200 pixels par pouce, mais qu'elle est seulement capable de projeter 1200 gouttes d'encre par pouce. Dans la mesure ou il faut plusieurs gouttes pour imprimer un pixel, la résolution maximum d'une imprimante jet d'encre est bien moindre (souvent de l ordre de 250 lpi) 1 Inch = 1 pouce = 2,54 centimètres. L assemblage de cette mosaïque de points papiers pour constituer le point de trame est effectuée par le pilote d impression. La forme du point (rond ou elliptique), l angle (généralement 45 degré) des points de trame modifient aussi fortement le rendu final de l impression. Dans le cas d une image noir et blanc : avec 2 2 pixels, il est possible de créer 5 nuances de gris : avec 3 3 pixels, on obtient 10 niveaux de gris; avec n n pixels, on obtient (n n)+1 niveaux Puisque le nombre de niveaux de gris est proportionnel à la taille des points de trame, on pourrait être tenté d'utiliser des points de trame de grande dimension mais cela diminuerait sensiblement la finesse d'impression. - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 5

6 Explication : Imprimer une image sur une imprimante de 300 dpi avec des cellules de 5 5 pixels permet d'obtenir 26 nuances de gris, mais une résolution pratique réduite à 60 lpi (300 / 5). l augmentation du nombre de points papier dans le point de trame augmente les nombre de nuances de gris possibles mais augmente aussi la taille des points de trame (c est pour cela que la linéature des imprimantes laser est fixée à une valeur relativement basse (~ 60 LPI) La qualité d'une image en niveau de gris, dépend de la finesse du point, mais aussi du rendu des niveaux de gris. Les constructeurs doivent jouer sur un compromis nuance de gris / taille du point de trame. Ci-contre : impression sur une laser NB à 300dpi. Chaque point de trame est constitué de 9 9 points papiers, ce qui permet 82 nuances de gris mais une linéature de seulement 300/9=33 Lpi Impression quadrichromique avec trame décalée. Tout ceci se complique lors d une impression couleur qui s effectue en plusieurs passes... De plus, pour couronner le tout, certains constructeurs indiquent une résolution physique «visuelle», qui est supérieure à la résolution physique réelle. Il s'agit en fait de mettre en avant un algorithme de lissage des courbes (interpolation), qui permet d'augmenter la qualité d'impression. Il en résulte un léger flou à l impression. Retenir les linéatures suivantes : Journal = 50 à 80 lpi revue = 100 à 120lpi revue d art = 150 à 200 lpi imprimante laser = 50 à 60 lpi jet d encre = 200 à 250 lpi écran :72 ~100 lpi suivant le pitch de l écran Pour un pitch de 0.25 mm (17 pouces récent) la résolution est de 25.4mm/0.25=100lpi - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 6

7 linéature 30 lpi 53 lpi 100 lpi Ci dessus : La linéature augmente (les points de trame sont plus petits) mais en contre partie le nombre de nuances de gris diminue Attention : Ces photos sont susceptible de subir l effet de moiré à cause de la photocopieuse numérique utilisée pour la reproduction de ce document!! En lui indiquant la qualité souhaitée, le type de papier, le type de trame, l utilisateur lui fournit des informations cruciales qui vont permettre un rééchantillonnage, une interpolation (=lissage) de l image en vue de l impression. Il s agit de la phase de «rastérisation» qui consiste à transformer le document en une succession de points dont la forme, la taille et la dispersion sont calculées en fonction des caractéristiques de la machine, du papier et des têtes d impression. L image ci-contre est obtenue avec un autre algorithme de conversion (Appelé tantôt nuages, diffusion, stochastique ou dither), il permet d'atténuer l'effet de trame en ajoutant un peu d aléatoire! Cela donne un meilleur rendu pour les photos. (moins sensible au moiré d ailleurs!) Le choix de la méthode de tramage s effectue dans les propriétés de la configuration d impression. panneau de configuration de la CANON LBP-810 Rassurez-vous, tout ce travail s effectue le plus souvent de façon transparente et généralement satisfaisante par le pilote d impression (procédé RET chez HP). - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 7

8 Physiologie de l œil et résolution En première approximation, l œil peut être assimilé à un système optique comprenant : une lentille convergente de focale 15 mm, le cristallin, une surface sensible, la rétine, constituée d une mosaïque de capteurs : les cônes (130 millions) et les bâtonnets (6-7 millions). Le diamètre des cônes est beaucoup plus petit que celui des bâtonnets. Plus on s'éloigne de la partie centrale, plus les cônes se font rares et leur diamètre augmente La macula (2~3 mm) essentiellement constituée de cônes permet la vision des détails en éclairage diurne. (lecture, vision des détails) La fovéa (1300 à 1500 microns) est une région de la rétine située dans la macula, près de l'axe optique de l œil. L'acuité visuelle y est maximale. Le diamètre moyen d un de ces «pixels physiologiques» est d environ 5 microns. La définition rétinienne de la macula est donc d environ 1/0,005mm=200 points par millimètre soit environ 5000 points par pouces. La rétine à une résolution moyenne de 5000dpi. Le pouvoir séparateur de l œil est l angle sous lequel doivent être vus deux points pour être séparés : il est de 5µm / 15 mm rad (1 minute d angle) Nous pouvons ainsi déterminer la résolution minimum nécessaire d un document imprimé pour que la trame soit invisible lorsqu il est visionné à une distance d. macula cône 5um Centre optique de l oeil rad 30 cm 3m 3km 15mm 100 um 1mm 1m Aà 254dpi 25,4 dpi Vous avez placé naturellement ce document à environ 30 cm de vos yeux, il nécessite donc, au moins, 1 point tous les dixièmes de millimètre soit 254 dpi Pour ne pas distinguer le pitch d un moniteur d ordinateur à 100dpi il faut donc se placer à plus de 60 cm de l écran Une affiche publicitaire visionnée à 3m nécessite seulement 1 point tous les millimètres (25.4dpi) soit pixels. Les deux phares d une voiture (espacés de 1 m) seront séparés à condition que celle-ci soit située à moins de 3km... Détail du calcul pour trouver 254dpi à 30 cm A une distance d=30 cm les points doivent être séparés de e sachant que dans les triangles semblables on a 5um/15mm = e/d ,4 10 on trouve e = 0,30 = = 100µ m. Il y aura = 254 points par pouce = 254 dpi Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 8

9 Format de reproduction et facteur d échelle Nous avons vu ci dessus que la distance de vision dépend de la taille du document regardé : On admet généralement qu une image imprimée est regardée à une distance égale à environ 2 ou 3 fois sa diagonale. Photo 15 10cm (diagonale 18 cm) regardée à environ 30~40cm Photo cm dans une exposition à environ 1,5m Affiche 4 3 m d un panneau publicitaire à environ 10~15m Dans ces conditions, on comprend que des photos de grande taille soient imprimées avec une résolution plus faible : Un A5 de (21 15 cm) imprimé à 250 dpi et vu à 50 cm semblera tout aussi bon qu un A3 (42 30 cm) à 125 dpi vu à 1m Exemple : Pour imprimer en A4 en 300 dpi, à partir d'une diapo mm, le facteur d'échelle doit être de 297mm / 36 mm = 8,25. D'où une résolution de : 300 8,25 = 2500 dpi (environ). Cette règle peut se modifier en fonction de certains impératifs d'impression professionnels qui font appel au tramage. (la fréquence spatiale d échantillonnage ne doit pas être un multiple entier proche de la linéature sinon l effet de moiré apparaît. Voir plus bas) Dans le même ordre d idée, il serait tentant d obtenir des épreuves A4 à partir de simples tirages standards en format 15 10cm. Il faut savoir que dans le meilleur des cas, la résolution d une photo réalisée dans un laboratoire industriel à partir d un négatif correspond à seulement 400lpi. Numériser en 600dpi ou 1200 dpi ne change rien à sa qualité. L agrandissement mettra en évidence les défauts (le flou, le grain du papier) le résultat imprimé présentera une absence de netteté et un moutonnement de l image. Utiliser un scanner de diapos (2000~3000dpi) (=scanner à transmission et non pas réflexion comme les scanners à plat) donnera un résultat d une qualité incomparable, même avec des taux d agrandissement élevés : Une diapo ou un négatif provenant d une pellicule 50 ISO contiennent l équivalent de 25 millions de pixels ( pixels) ce qui correspondrait à un fichier d environ 75 Mo! La photo papier (400lpi) obtenue à partir de ce négatif contient seulement = 4 millions de pixels ce qui correspond seulement à un fichier de 12 Mo. Une diapo contient beaucoup plus d information qu un tirage papier. Il faut garder précautionneusement ses diapos et négatifs. Les laboratoires devraient toujours placer les négatifs dans des pochettes plastique individuelles afin d éviter les rayures. Dans la plupart des développements bon marché les négatifs n ont aucune protection. - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 9

10 Résolution et scanners Nous venons de déterminer que le pouvoir de résolution (pouvoir séparateur) de l œil humain est d environ rad, l œil est capable de séparer des détails de l ordre du dixième de millimètre à une distance de 30 cm. Il faut donc qu il y ait environ 250 points de trame par pouce pour que celle ci devienne invisible. C est ce seuil qui est atteint par les meilleures imprimantes «jet d encre» qui peuvent donc se prévaloir de la sacro-sainte «qualité photo» Attention, tout ceci est théorique et d autres phénomènes physiques comme la diffusion de l encre sur le papier ou la précision de l électronique du système de balayage du moniteur permettent d abaisser grandement ce seuil. La linéature pratique des meilleures imprimantes du marché actuel étant d environ 200 Lpi il est donc inutile de scanner un document à plus de 200~300dpi. Si l impression s effectue sur une jet d encre peu récente ou sur une laser NB on pourra descendre à 100~150dpi L utilisation de ces valeurs vous assure que la seule limitation proviendra de votre imprimante et non pas des réglages du scanner même si celle-ci est au maximum des ses possibilités (meilleur papier photo, mode qualité photo, Un dépassement n'apportera plus rien si ce n'est une augmentation inutile de la taille du fichier. Les résolutions 600 ou 1200 Lpi ne sont utiles que lorsque le rapport de reproduction est élevé (agrandissement d un détail, d une diapo avec un dos pour transparent...) A titre d indication : Un scanner de diapo moyen de gamme (Minolta dual SCAN II) scanne une diapo mm à 2820 dpi. La taille de la diapo en pouces est : 24 25,4 = 0,94 pouce 36 = 1,41 pouce, 25,4 sa taille en pixels sera de 0, =2664 pixels par 1, =3996 pixels ce qui donne un fichier de =10,62 Megapixels qui aura comme poids = 30,4 Mo Minolta dual Scan II (USB donc lent) Ce fichier compressé en jpg aura un poids d environ 5 Mo (faible taux de compression : niveau 5 dans Paint Shop Pro) ce qui est très raisonnable pour ce type de fichier. La taille d impression maximale sera de 27cm 40 cm (voir plus bas) A noter : Un scanner de diapo permet aussi de scanner les négatifs. Cette technique est moins sujette au bruit car les zones opaques du négatif représentent les hautes lumières. Par contre le scanner doit inverser les couleurs et éliminer le masque orange. Mais sa densité n'est pas normalisée et ce masque est différent d'une gamme ou d'une marque de pellicule à une autre... A noter : Certains scanners de diapo (Nikon LS-30 SCSI) disposent d un procédé permettant d éliminer les poussières au moment du scan. (procédé ICE de La diapo est pré-scannée en Infrarouge : La diapo ou le néga sont transparents aux IR mais pas les poussières: le logiciel va éliminer les défauts sans toucher au reste de la photo...c est vraiment étonnant d efficacité et peut éviter des journées entières de retouche sous photoshop. (voir test en ligne) Nikon LS-30 ICE SCSI (testé, approuvé et acheté : Une merveille de technologie...) - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 10

11 Le choc des mots, le poids des photos - les formats - la compression Photo format standard cm (=3,9 5,9 pouces) scannée en millions de couleurs ( 3 octets) résolution l L total pixels poids du fichier 72 dpi pixels 353ko 150 dpi pixels 1.5Mo 300 dpi ,1Mpixels 6 Mo 600 dpi ,4Mpixels 24 Mo On peut remarquer que le doublement de la résolution entraîne un quadruplement de la taille du fichier. Page A cm (=8,3 11,7 pouces) scannée en millions de couleurs résolution l L total pixels poids du fichier 72 dpi pixels 1,4Mo 150 dpi ,2Mpixels 6.2Mo 300 dpi Mpixels 25 Mo 600 dpi Mpixels 100Mo Attente... Attente... Plantage!! Retenir : Un A4 300dpi en millions de couleurs pèse environ 25 Mo. Un doublement de la résolution quadruple le poids du fichier obtenu. Pour obtenir une résolution de 300dpi en format 10 15cm, il faudra disposer d un fichier natif de pixels ce qui correspond approximativement aux performances d un bi-megapixels ( ). Nous venons de voir que les poids des images, notamment les photos, sont relativement élevés. Leur stockage est donc problématique, heureusement il est possible de réduire fortement la taille des fichiers en les compressant : Format bmp : sans compression, en 256 ou en millions de couleurs. A utiliser lorsqu on ne veut pas perdre d informations dans l image et que l on n est pas limité par le stockage. Format gif : compression non destructive (réversible) seulement pour les images de moins de 256 couleurs. Ce format convient pour les schémas, les captures d écran et surtout pour les animations par gif animés. Le facteur de compression n est pas réglable et dépend de la structure du schéma (lignes horizontales ou verticales : facteur de compression différent) Une photo bmp codée en millions de couleurs perd irrémédiablement des nuances lorsqu elle est convertie en gif. : passage de 2 24 couleurs à 2 8 : Une conversion inverse (gif en bmp) ne redonnera évidemment pas l original. (un vieux vinyle sera toujours aussi nasillard après numérisation en qualité CD!!) Un schéma bmp codé en 256 couleurs ne perd pas de nuances lors de la compression gif. (la conversion inverse redonne l original) Format jpg : compression destructive (irréversible) en millions de couleurs. Convient pour les photos. Le facteur de compression est réglable d environ 6 à 24. Pour des taux de compressions élevés apparaissent des artefacts de compression : Dans tous les cas la compression jpg fait perdre de l information. On utilise couramment le niveau 75 ~85 dans PaintShopPro qui divise par 12~10 la taille de l image. (niveau 5~6 dans Photoshop) - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 11

12 Format tiff :compression non destructive. Millions de couleurs. Taux de compression relativement faible 2 ou 3. (souvent moins) Format png : Compression non destructive (très efficace) Chaque logiciel gère son propre format, les cinq ci-dessus sont les plus courants. Une bonne alternative peut être le bmp zippé (non destructeur).(très performant sur des captures d écran) Attention aux compressions jpg successives : chaque fois que l on sauvegarde la même image en jpg l algorithme détruit petit à petit l image : On aura donc intérêt à travailler toujours en BMP (ou TIFF) pendant la retouche et ne compresser en jpg qu à la dernière sauvegarde Moyen mnémotechnique pour jauger la taille d impression d une photo en impression «qualité photo» Nous avons vu plus haut qu il était inutile de scanner avec une résolution trop élevée : la lourdeur des fichiers obtenus augmentant de façon quadratique avec la résolution. La linéature pratique des meilleures imprimantes qualité photo est d environ 200 Lpi, nous pouvons surévaluer cette résolution en prenant une résolution de 254 Lpi = 254 points pour 2.54 cm (ce qui correspond seulement à 10 points au millimètre!) Il suffit de diviser par 100 la largeur et la hauteur de l image pour obtenir la taille en centimètres du tirage «qualité photo» Une photo de pixels donnera une photo de 12,8cm 10.2 cm Dénomination Longueur Hauteur Impression optimale Bi-megapixel cm 12cm Tri-megapixel cm 15cm 4,1-Megapixel cm 17cm 5,2-Megapixels cm 19cm 6-Megapixels cm 20cm (~ A4) 10-Megapixels cm 25cm 12-Megapixels cm 28cm Comme tout moyen mnémotechnique, cette méthode est approximative et repose sur l idée que les photos seront tirées sur une imprimante très performante et examinées à une distance d observation «normale» d environ 25 cm. Des fichiers de taille modeste ( ) peuvent pourtant donner d excellents résultats jusqu au format d une affiche... puisque la distance d observation d un tel document est habituellement en rapport avec ses dimensions et que la limite de notre pouvoir de résolution rend supportable à distance élevée, une résolution qui ne serait pas supportable de près. On peut noter que les fichiers de 6 mégapixels (Nikon D40) permettent d obtenir des clichés au format A4 : c est largement suffisant à moins de devoir recadrer ses photos. Lorsque le format d impression grandit le nombre de pixels nécessaires s envole. - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 12

13 Les problèmes de moirage des scanners Lorsqu'on numérise une image imprimée en quadrichromie (c'est-à-dire pratiquement tous les journaux, revues et livres), on évite d'avoir une résolution de numérisation voisine de la fréquence de trame (afin d'éviter des phénomènes de battement ou «moirages» qui engendre des motifs réguliers qui peuvent dénaturer complètement l image. Il s agit d un phénomène classique de l échantillonnage : battements de deux phénomènes périodiques de fréquence proche. (fréquence d échantillonnage spatiale et fréquence du point de trame). Ce phénomène se retrouve dans tous les procédés d échantillonnage temporels ou spatiaux : stroboscopie, carte d acquisition pour conversion analogique /digitale, capteur CCD et costume en pied de poule... La solution : Marylin moirée : Visualisation sous différents facteurs de zoom dans Paint Sho Pro. Dans le logiciel du scanner, il faut activer des options de détramage : selon la densité de points du document, le scanner va numériser très finement en décalant aléatoirement les points capturés pour éviter cet effet. L'image perd par contre un tout petit peu de piqué, la numérisation prend en général nettement plus de temps (la numérisation se fait à vitesse très lente pour acquérir plus de points de mesure). Ce phénomène qui apparaît principalement lorsqu on numérise des documents tramés peut aussi se déclarer lors de l affichage en vignette d une image tramée: le logiciel de visualisation rééchantillonne pour prélever un pixel tous les x pixels. Cette opération peut dénaturer complètement l image. (cf ci-dessus) - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 13

14 Impression papier L affichage sur un écran cathodique est réalisé par synthèse additive Le rouge, Le vert et le bleu de mélangent pour former du blanc, l impression couleur est obtenue, elle, par synthèse soustractive : le mélange de cyan, magenta et jaune produit du noir (trichromie) Le noir obtenu ainsi déçoit par son aspect marron clair, c est pourquoi tous les constructeurs ont rajouté une cartouche d encre noire par imprimer en quadrichromie Les Imprimantes jet d encre couleur ont tout de même un intérêt! Les constructeurs travaillent sur plusieurs points pour améliorer l impression : Diminution de la taille des gouttes d encre (jusqu à 3pL ) chez EPSON Superposition des gouttes : procédés RET2, RET3 chez HELWET PACKARD Augmentation du nombre de nuances des couleurs par ajout de deux couleurs supplémentaires : le cyan clair et le magenta clair : La couleur de la peau est ainsi mieux rendue :EPSON Amélioration des algorithmes de rastérisation (trame) Une bonne impression utilisera un papier couché (recouvert de kaolin) ou mieux encore du papier glacé (recouvert d un vernis brillant). Le papier photo est un papier glacé cartonné : Dans tous les cas l impression papier est lente et chère ; elle produit des documents fragiles (aucune résistance à l eau, à la lumière solaire) qui ont une durée de vie très limitée (1 à 2 ans dans les meilleurs cas). Pour information : Les cartouches couleur des imprimantes jet d encre coûtent cher. Elles s épuisent rapidement et à la meilleure résolution, au bout d une vingtaine de tirages A4 (soit 80 photos), la cartouche est pratiquement vide Un papier photo de fort grammage (TDK 264g/mm 2 ) revient à environ 20 euros les 20 feuilles! Le coût de la photo est élevé, sans compter ni les ratés, ni le temps bloqué devant l ordi! Imprimer ses photos soi-même : c est perdre son temps et son argent! On a tout intérêt à faire développer ses tirages numériques par un laboratoire spécialisé. Les prix sont aujourd hui comparables à ceux pratiqués pour l argentique. - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 14

15 Caractéristiques générales des appareils photo numériques La photo numérique est en train d'acquérir sa maturité. Elle peut désormais concurrencer la photo argentique. Voici ce qu'il faut savoir avant de faire son choix. Je vais dans cette partie détailler les caractéristiques des appareils photo numériques. LE CAPTEUR CCD Le capteur CCD (Charged Couple Device), en français DTC (Dispositif par Transfert de Charges) est au cœur de l appareil photo numérique, il est l équivalent de la pellicule présente dans son homologue argentique. Il est constitué d une mosaïque de minuscules photodiodes appelées aussi photosites ou plus simplement pixels. Capteur CCD Chacun des ces pixels est constitué d un condensateur dont une électrode est un semi-conducteur. Par effet photo-électrique, les photons de lumière sont transformés en électrons puis stockés dans le condensateur. (passage de la bande de valence à la bande de conduction en sautant le GAP!) Chaque pixel de la matrice transforme donc les photons en une charge électrique proportionnelle à la quantité de lumière reçue. Ce signal est ensuite numérisé, traité, puis stocké. Capteur CCD du Nikon D1 Les électrons présents dans chacun des pixels de la matrice sont comptés et convertis en une nuance de gris qui s'étend du noir au blanc (noir = aucun électron, blanc = saturation du pixel) Il existe deux types de capteurs : les CCD (Charged Coupled Device) et les CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Ce dernier se distingue avant tout par son procédé de fabrication, similaire à celui des circuits imprimés et microprocesseurs qui lui procure un faible coût de fabrication et une consommation électrique réduite. Les CCD sont chers à la fabrication car nécessitent des chaînes de montages particulières, les boîtiers en étant équipés sont donc plus onéreux. L'introduction récente dans ce domaine du CMOS beaucoup - moins cher - est donc une solution alternative. Par contre ce dispositif se montre beaucoup plus sensible au bruit survenant lors de prises de vue dans des conditions de faible luminosité (bruit thermique) (le CMOS possède une sensibilité environ égale aux deux tiers de celle du CCD). Philips Vesta Pro pour la mécanique... perd moins d images que la Toucam ci-dessous. Ce même type de capteur CMOS est utilisé dans la fabrication des récents scanners bon marché de faible épaisseur. La qualité des documents obtenus par ce type de scanner est bien inférieure à celle obtenue par un scanner à barette CCD. On trouve aussi ce type de capteur CMOS dans la plupart des WEBCAM zr autre gadget bon marché. à noter la Webcam Philips TOUCAM PRO 740K (bague jaune) dispose, elle, d un capteur CCD (1/4" x 480 ) procurant des images de qualité (voir document «utilisation d une WEBCAM en mécanique nov 2001» 24 pages) Philips Toucam pro 740K + adaptateur = Astro-photo :-) - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 15

16 TAILLE DU CAPTEUR (Le paramètre essentiel!) Les capteurs CCD ont une taille beaucoup plus petite que la surface sensible d une pellicule argentique, qui elle, mesure 24*36mm soit une diagonale de 43mm. Nous verrons, plus loin, que cet écart est fondamentalement responsable des nombreuses différences entre la photo argentique et le numérique. La taille du capteur influe directement sur la taille des pixels qui sont donc microscopiques, (4~5 micromètres de coté) Dénomination Taille réelle Rapport de surface / /2,5" 4,29 5,76 mm Compacts 35 1/2,3" 4,62 6,16 mm Compacts 30 1/2" 4,8 6,4 mm Compacts 28 1/1,7" 5,7 7,6 mm Compacts 20 4/3" 13 17,3 mm Compacts 3,8 APS CANON 14,8 22,2mm Réflex amateurs canon 2,6 APS NIKON 15,8 23,6mm Réflex amateurs nikon 2,3 24x mm Réflex professionnels 1 La diminution de la taille des capteurs n a pour unique but que de diminuer le coût de la puce (plus de puces sur une même galette de silicium) L'augmentation croissante du nombre de pixels dans les appareils numériques grand public s'est faite sans augmenter la taille du capteur : La surface des pixels diminue avec l augmentation du nombre de pixels ce qui diminue la sensibilité de l appareil. Le capteur d un compact est environ 15 fois plus petit que celui d un réflex amateur APS : Il ne faut donc pas s attendre à la même sensibilité! LA RESOLUTION DU CAPTEUR La résolution des photos correspond au nombre de pixels que peut percevoir le capteur CCD. Les premiers appareils avaient des capteurs de 300 à pixels offrant une résolution VGA ( ). Les suivants étaient munis de capteurs Mégapixels (1 million de pixels) permettant d'avoir des images en ou pixels. Aujourd'hui, les modèles 10, 12 et 15 Mégapixels peuvent prendre des images d'une résolution jusqu à Le choix de la résolution se fait en fonction de la destination finale de l'image. Ainsi le mode VGA ( ) ne trouve son utilité que pour une diffusion sur le web. Une résolution de ou est bien suffisante pour apprécier ses photos sur l'écran de son ordinateur. Une impression de bonne qualité (en 10 15cm) nécessite un appareil de seulement 3 megapixels. Nous verrons plus loin une méthode permettant d estimer la taille de l impression en fonction du nombre de pixels. Résolution importante ne rime pas avec qualité : bien au contraire Résolution importante rime plutôt avec faible sensibilité et images bruitées!!! (voir plus bas) - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 16

17 Résolution standard de l'image Taille de l'image non compressée Nombre de pixels Rapport largeur/hauteur Dénomination Ko 0,30 MPixels 4/3 VGA ,37 Mo 0,48 MPixels 4/3 SVGA ,25 Mo 0,79 MPixels 4/3 XGA ,75 Mo 1,31 MPixels 5/4 Megapixel (SXGA) ,49 Mo 1,92 MPixels 4/3 Bi-megapixel (UXGA) Mo 3,14 MPixels 4/3 Tri-megapixel (SUXGA) Mo 3,9 MPixels 4/3 4,1-Megapixel Mo 4,9 MPixels 4/3 5,2-Megapixels Mo 6 MPixels 3/2 6 Megapixels Mo 10 MPixels 3/2 10 Megapixels Mo 12 MPixels 3/2 12 Megapixels Attention : le nombre de pixels actifs peut être inférieur au nombre total de pixels. Attention : Le format du capteur CCD n est pas toujours, comme pour une pellicule 24 36, dans le rapport 3/2 mais peut être dans un format plus carré pour certains compacts format 4/3 Les photos ne peuvent donc pas être imprimées en 15 10cm mais plutôt en 13 10cm.(bandes blanches sur les cotés). Cela entraîne soit une perte de papier lors de l impression de quatre photos sur une page A4 (conservation du format d image), soit une perte de résolution car il faudra retailler et agrandir la photo pour obtenir un format 15 10cm : Arcsoft photo printer 2.0 (gratuit) Cet effet qui est un inconvénient lors de l impression ne pose pas de problème sur un moniteur qui est lui le plus souvent au format 4/3 ( pour un 15 pouces, pour un 17 pouces.) La plupart des moniteurs LCD actuels sont au format «WIDE = large» SENSIBILITE DU CAPTEUR CCD La sensibilité du capteur CCD est primordiale : un capteur peu sensible obligera le photographe à travailler avec des grandes ouvertures ou des temps de pose élevés (flou de bougé : nécessité d un pied) La sensibilité totale du capteur CCD dépend avant tout de sa taille réelle et donc de la taille des photosites ou pixels, elle dépend aussi de son rendement quantique. (Mesure du nombre de charges créées pour un photon d'une certaine énergie.) Le rendement quantique d un CCD est de part sa construction bien meilleur que celui d un CMOS qui lui est moins cher à fabriquer. Explication : Si, pour un photosite particulier, 6 électrons sont créés pour 10 photons incidents : le rendement quantique est de 60% - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 17

18 Exemple concret : Le CANON 500D (année 2009) dispose de 15 Millions de pixels pour une surface de 14,8 22,2mm =328mm 2 Chaque pixel mesure 4,6µm soit une surface 21,6µm 2 Le NIKON D40 (Année 2006) dispose, lui, de seulement 6 Mpixels pour une surface de 15,8 23,6mm=373mm 2 chaque pixel (7,8 µm) dispose d une surface de 62 µm 2 ) La différence de sensibilité entre ces deux pixels est proportionnelle à leur surface : Le D40 est, en théorie, environ 3 fois plus sensible que le 500D. De plus l avantage va au capteur CCD du D40 plutôt qu au CMOS du 500D. Par contre, il est évident que les progrès des algorithmes de suppression de bruit ont bien évolué et pour cause On peut comparer cela au vieux NIKON D1 dont chacun des 3 millions de pixels faisait = 140µm 2 Cette notion se retrouve en photo argentique : la taille des grains d halogénure augmente avec la sensibilité du film : 100 ISO ; 200 ISO ; 400 ISO : Un film sensible procure du grain à la photo. (Utilisation en photographie artistique pour les portraits) Cette notion permet de comprendre pourquoi l augmentation du nombre de pixels des appareils photo numériques sans augmentation de la taille du capteur CCD leur fait perdre de la sensibilité (nécessité d ouvrir plus, de monter en ISO ou de travailler avec des basses vitesses) D une part les pixels sont plus petits mais d autre part le capteur sera plus sensible au bruit : Il peut être judicieux d acheter un «vieil appareil» disposant de peu de pixels ( 6 Megapixels) Explication : Pour une même quantité de photons (même photo, même optique, réglages identiques) et un capteur de même taille, un 12 Mpixels sera moins sensible qu un 10 ou un 6 Mpixels car ce même nombre de photons doit se répartir sur un plus grand nombre de pixels. Chaque pixel stocke donc moins de photons, la présence de photons parasites (le plus souvent d origine thermique) augmente l erreur relative sur le dénombrement de chaque photosite. Pour limiter l influence de ce bruit thermique, il est nécessaire que les photosites stockent plus de photons (temps de pose rallongé - risque de flou de bougé) Cela fait perdre un 1 voire 2 diaphragmes sur le NIKON D60 (10 megapixels) par rapport au NIKON D40 (6 megapixels) (même optique taille du capteur identique.) Nikon D40 testé approuvé et acheté! L un des meilleurs réflex «amateur» L'augmentation croissante du nombre de pixels dans les appareils numériques grand public s'est faite au détriment de la sensibilité des capteurs. Les appareils photo les plus sensibles ont soit un grand capteur (capteur Full frame = plein format= mm type NIKON D700 ) soit un capteur format APS (=15,6x23,6 mm) mais pas trop de pixels type NIKON D40 Le compacts (petit capteur) sont logiquement peu sensibles : les photos par faible luminosité sont à proscrire. L appareil tentera de compenser par une montée en ISO et une baisse de vitesse : ce qui entraîne du flou et du bruit (voir plus bas ) - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 18

19 SENSIBILITE SPECTRALE (= en fonction de la Couleur) Les principaux défauts colorimétriques constatés sur les appareils numériques sont liés à la sensibilité spectrale c est à dire à la variation du rendement quantique de chaque pixel en fonction de la couleur du photon (certaines couleurs donnent plus d électrons). Dans ce cas, le capteur CCD modifie fortement l aspect des couleurs en fonction de la température de l éclairage : lampe à filament, néon, ou lumière du jour.. Le flash utilisé sur une personne dans une pièce éclairée par des lampes à incandescence, par exemple, fournira un résultat surprenant et difficile à analyser. La balance des blancs doit pouvoir être réglée manuellement. De plus cette sensibilité du capteur CCD n est plus tout à fait linéaire avec l éclairement notamment dans les forts et faibles éclairages. Cela se traduit par un manque de sensibilité dans les hautes et basses lumières. Les scènes à fort contraste sont à proscrire. Le capteur CCD a tendance à écraser les hautes et basses lumières (pas de détail dans les ombres, visages saturés bouchés) (phénomène de blooming caractéristique de la photonumérique ) Dans le cas de scènes trop sombres il faut utiliser le flash, sans oublier qu'au delà de 3 ou 4 mètres, celui-ci n'éclairera plus grand chose, de nuit comme de jour. Celui-ci est aussi nécessaire pour les sujets en contre jour afin de déboucher les ombres. Un capteur CCD est plus sensible qu un œil humain dans les hautes longueurs d ondes (IR). De plus il capte aussi les proches UV (nécessité d un filtre anti-uv) (Possibilité de photographie IR avec filtre approprié) (Essayer de photographier une télécommande TV par exemple...) Les photos utilisant plusieurs sources de lumières de différentes températures sont à proscrire. DYNAMIQUE (=nombre de nuances) La plage dynamique est l'étendue des tonalités (du plus sombre au plus clair) perceptibles par un capteur : du noir pur (0, 0, 0 en RVB) jusqu au blanc pur, "cramé" (255, 255, 255 en RVB). Un des gros défauts de la photographie numérique est le manque de dynamique du capteur. Chaque couleur ne dispose que de 256 possibilités de nuance, c est peu, même si cela fournit 256*256*256=16 millions de couleurs! Une photographie mêlant des zones sombres et des zones fortement éclairées (contre jour par exemple) a toutes les chances, soit d être soit brûlée (souvent le ciel) soit trop sombre. Je vous défie de faire une photo, correctement exposée, contenant le soleil et un avant plan et ce quel que soit le prix de l appareil photo Tous les capteurs des APN manquent de dynamique. Il est impossible de photographier des scènes très contrastées. Une solution est la photographie HDR (High dynamic Range) qui permet à partir de plusieurs photos avec des expositions différentes de ne conserver que les parties bien exposées. Cela peut être effectuer directement par l appareil (en vitesse rapide) en «bracketant» et en utilisant un logiciel adapté.(type photomatix) Rechercher «35 Fantastic photo HDR» pour des photos irréalistes et irréalisables autrement qu en HDR. - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 19

20 LE OU LES BRUITS =(pixels ayant des fausses couleurs) (attention cela devient ardu!) Les dispositifs à transfert de charges sont sensibles à différents types de bruit que nous allons détailler : Le bruit quantique (ou bruit de fond) : Il provient de la nature quantique (corpusculaire) de la lumière : Pour une même exposition (source lumineuse constante et régulière), le nombre de photons détectés par un photosite n est jamais le même, il varie aléatoirement autour d une valeur moyenne. Ce bruit quantique est proportionnel à la racine carrée du nombre de photons détectés, (Loi de POISSON) (le rapport signal/bruit est donc égal à la racine carrée du nombre de photons détectés) : Si N est le nombre de photons détectés par un photosite, le bruit quantique sera proportionnel à N et le rapport signal/bruit proportionnel à Ν / Ν = Ν Explication : Supposons qu un pixel enregistre 100 photons, l incertitude sera de ± 100= ±10 photons : l erreur relative est de 10/100=10%. Maintenant si ce même pixel enregistre 500 photons soit une incertitude ± 500 = ±22 photons : l erreur relative passe à 22/500=4%. Le bruit devient moins visible dans le signal. (le rapport signal/bruit augmente) La proportion de bruit quantique diminue avec le temps d exposition En outre, quand un photon frappe un pixel de la matrice CCD, il n'est pas certain qu'il sera effectivement converti en électron. Ce rendement quantique est une caractéristique du type de capteur CCD (CMOS ou CCD) et dépend fortement de la longueur d'onde de la lumière (couleur). Nous verrons plus bas le problème engendré par des éclairages mixtes.(de températures différentes). Le bruit de lecture ou de traitement Ce bruit est lié à la méthode même de lecture des charges par registre à décalage : capteurs à transfert de trame. Le capteur CCD est vidé en décalant vers le bas chaque ligne du CCD vers une ligne dénommée ligne de transfert. Un «reliquat de charge» peut subsister dans les condensateurs lors de ce décalage (phénomène de smearing) : phénomène surtout visible en astro-photographie sur des objets très lumineux. A noter : La plupart des webcams et camescopes utilisent des capteurs à transfert d interligne qui eux, ne nécessitent pas d obturateur électromécanique mais sont moins sensibles car la moitié de leur surface est masquée par les colonnes de transfert. Ce transfert d une colonne à une autre est pratiquement instantané : c est pourquoi la vitesse d obturation peut être très élevée. (1/10 000s sur une webcam d entrée de gamme!) - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 20

21 Principe d un Capteur à transfert de trame d interligne. Le bruit de quantification Il correspond à l'erreur moyenne commise en échantillonnant le signal analogique (courant électrique associé à chaque pixel) sur un nombre fini d incréments (erreur constante) Chaque nuance de luminosité pour chaque couleur est codée sur seulement 8 bits (soit 16 millions de couleurs au total) cela correspond à la dynamique. Le bruit thermique (Dark Noise) ou courant d obscurité Même en l'absence de lumière, des électrons s'accumulent petit à petit dans le capteur CCD. Ce phénomène est, lui aussi, tout à fait aléatoire (même statistique que le bruit quantique), il ne dépend pas du nombre de photons détectés mais uniquement de la durée de capture. Ce bruit est différent pour chaque pixel. Son effet sera d autant plus visible que le nombre d électrons dans chaque pixel est faible. Le bruit thermique est proportionnel au temps de pose. Le bruit thermique est différent suivant chaque pixel. Il engendre des pixels anormalement colorés. Explication : Supposons pour simplifier : - que le rendement quantique soit de 100% (chaque photon crée un électron) - que la capacité maximale de chaque pixel soit de 255 électrons. Dans ce cas simplifié, le nombre de photons fournit directement la valeur numérique du pixel considéré. Intéressons nous a un pixel particulier du CCD: pour celui-ci, le bruit thermique entraîne par exemple l ajout de 100 électrons supplémentaires par seconde de temps pose. Pour une photo d un sujet très lumineux, la mesure d exposition va régler la vitesse et le diaphragme afin qu aucun pixel ne soit saturé et que les valeurs de chaque pixel se répartissent de 0 jusqu à 255. Pour que la photo soit correctement exposée, ce pixel devrait avoir comme valeur 100 sur un maximum de 255 valeurs possibles. La vitesse (1 /100 s) sera suffisamment rapide pour que le bruit thermique passe inaperçu car celui-ci entraîne sur ce pixel une erreur de ±1 (erreur relative de 1%) La valeur de ce pixel sera comprise entre 99 et 101.(faible erreur dans la couleur) - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 21

22 Maintenant la même photo du même sujet beaucoup moins éclairé (10 fois moins de lumière) va nécessiter pour obtenir la même exposition un temps de pose 10 fois plus grand (1/10s au lieu de 1/100s - diaphragme identique). Pour que la photo soit toujours bien exposée, ce même pixel devrait toujours avoir comme valeur 100 mais maintenant le bruit thermique entraîne une imprécision de 10 d où une erreur relative de 10% Sa valeur sera comprise entre 90 et 110. Le bruit thermique devient visible. Les sujets peu lumineux sont sujets au bruit Les temps de pose sont limités par les risques de flou de bougé à basse vitesse, nous verrons plus bas l utilisation du gain pour contrer ce problème. Le bruit thermique est surtout visible dans les photos à longue exposition. Le bruit thermique augmente aussi avec la température du capteur. (c est pour cela que les capteurs CCD utilisés en astro-photographie sont refroidis par des modules PELTIER.) Rmq : Il est tout à fait possible de mettre en évidence ce bruit en effectuant une photo avec le bouchon d'objectif en place (et/ou un tissu noir sur l objectif): l augmentation du contraste de la photo (avec Paint Shop Pro par exemple) fait apparaître des pixels colorés. Cette expérience simple peut être faite avec n'importe quel appareil numérique dont la vitesse d'obturation est réglable manuellement. On utilise cette méthode pour «soustraire» d une photo l influence du bruit thermique sur le capteur (puisque ce bruit est reproductible indépendamment pour chaque pixel) En conclusion : Le bruit engendre des pixels aléatoires colorés. Quel que soit la nature du bruit il est toujours présent sur toute la photographie, il se révèle sur les photos peu exposées. (photos nocturnes ou sombres) (rapport signal/bruit faible) L astro-photographie (ciel profond) est très sujette au bruit thermique. Nous allons voir que ce bruit est accentué avec le gain du capteur CCD. GAIN ou réglage d ISO Le réglage nommé «Gain» ou «sensibilité» ou «ISO» par analogie avec la photo argentique (confusion totale dans les termes!) permet d augmenter artificiellement la luminosité de l image en amplifiant numériquement les valeurs de chaque pixel. Ce procédé permet de pallier souvent le manque de lumière, par contre il engendre du bruit sur l image en amplifiant les différences de nuances et en accentuant les effets du bruit - Lyon - Images numériques Photographie numérique - Décembre page 22