SP_B3 Approche documentaire PCSI Comparer les images produites par un appareil photographique A faire pour le jeudi 3 novembre 06 L approche documentaire comporte deux parties : Un document texte, présentant de s'approprier les effets des principaux paramètres physiques de réglage de l'appareil photo sur l image obtenue. Un document photographique permettant de valider l influence des principaux paramètres exposés dans le document texte. ocument : Quelques rudiments de photographie. Schématisation d un APN Il est modélisable par : un objectif, assimilable à une lentille convergente de distance focale ; un diaphragme circulaire de diamètre qui limite l étendue du faisceau lumineux admis dans l appareil ; un capteur photosensible (capteur CC ou CMOS) constitué de pixels de taille caractéristique ε.. Paramètres de réglage Lorsqu on prend une photo, on a la possibilité de choisir plusieurs paramètres : focale de l objectif, durée d exposition, ouverture et sensibilité. La durée d exposition : la prise de la photo s effectue pendant une durée T, appelée durée d exposition. C est la durée pendant laquelle le capteur reçoit de la lumière. On parle aussi de vitesse d obturation. Plus la durée d exposition est grande, plus la vitesse d obturation est petite, plus l obturation est lente. L'ouverture du diaphragme (N): On définit le nombre d ouverture N par : N =. Plus N est grand, plus est petit à focale fixe. Les valeurs de N et T sont normalisées, on peut par exemple rencontrer les valeurs suivantes : Question : Les valeurs successives de N forment une suite, laquelle? Même question pour T.? Aucune démonstration mathématique n est attendue ; onner juste la nature de la suite et sa raison. La puissance lumineuse reçue par unité de surface du capteur s'appelle l'éclairement E donné par la relation : E= k ( ) où k est un paramètre ne dépendant que de la source lumineuse et du facteur de transmission de l objectif. e combien varie E à chaque saut de N? Quelle est l'unité de E?. ifférentes ouvertures du diaphragme = f/n Sensibilité ISO : c'est la sensibilité du capteur de lumière Elle prend en général les valeurs suivantes : 00, 00, 400, 800 et 600. Sur les APN, augmenter l ISO consiste à amplifier les mesures du capteur lorsque le flux lumineux capté n est pas suffisant. Par exemple, si on diminue la durée d exposition d un facteur, on peut obtenir une exposition identique en multipliant par la sensibilité. Néanmoins, plus la sensibilité ISO est élevée, plus la photo est bruitée, conséquence de cette amplification.
Pour un couple temps d exposition, ouverture donné, il vaut mieux choisir l ISO le plus bas conduisant à une exposition satisfaisante, c est ce que fait le mode automatique de valeur d iso. 3. Caractéristiques d'une photo L exposition. L'exposition correspond à la luminosité d'une photo. Une photo sur-exposée est trop lumineuse et sous-exposée ne l est pas assez. L exposition est déterminée par trois paramètres clefs : l ouverture du diaphragme, le temps de pose et la sensibilité ISO. On définit l exposition H, comme le produit de l éclairement par le temps de pose soit : H = E T =k T N Cette grandeur représente, pour une prise de vue donnée, l énergie lumineuse reçue par le capteur par unité de surface. Il existe plusieurs combinaisons temps de pose/ouverture permettant d obtenir une même exposition H. C est principalement l esthétique de l image qui guide le choix du photographe. Les APN permettent de choisir quelle priorité le photographe accorde, pour une exposition idéale H déterminée par les capteurs et le processeur de l appareil : Soit le photographe accorde la priorité à l ouverture (mode Av) c est-à-dire qu il la choisit ; l appareil fixe alors le temps de pose T. Soit le photographe donne la priorité au temps de pose (mode Tv), et alors l appareil fixe l ouverture. ans tous les cas, les choix correspondent tous à H=E T constant. Le champ : Soit θ l angle entre l axe optique et les rayons lumineux émis par un objet ponctuel à l infini B. Le champ de l objectif θm est défini comme le double de l angle θ maximal autorisé pour que l image de B se forme encore sur la pellicule, de taille fixée. Le format standard de la pellicule est un rectangle 4,0 mm 36,0 mm (référence aux appareils argentiques), centré sur l axe optique. θm est donc la valeur de θ pour laquelle l image de B est dans un coin de la pellicule. La profondeur de champ (PC) C est la zone de netteté acceptable, en avant et en arrière du plan de mise au point. Elle désigne une plage de distances dans laquelle des sujets paraîtront nets. Un faisceau issu d un point objet A situé sur l axe optique intercepte le plan du capteur selon une surface, dont la taille caractéristique est a. Tout point objet A sera vu net (i.e. aura une image ponctuelle à l échelle du capteur) tant que a < ε. La PC est constituée de l ensemble des points situés entre les points extrêmes A et A vérifiant cette condition. L image sera réussie si le point A visé par le photographe est compris entre A et A. Pour un même sujet A visé, la composition de l image, c est-à-dire son rendu esthétique, sera fortement modifiée selon l amplitude de la PC, c est-à-dire la distance AA. On démontre que la PC vérifie la relation suivante : A A = ε d N où d est la distance de mise au point (d = OA, A f ' étant le point objet, visé par le photographe, sur lequel le point est fait). Pour une focale donnée : Une grande ouverture (par exemple f/.8) donne donc lieu à une petite PC, permettant de laisser nets uniquement les plans proches de celui où a été fait la mise au point (utile quand on veut faire ressortir un sujet en noyant l arrière-plan dans le flou, comme pour un portrait ). Une petite ouverture donne lieu à une grande PC, laissant nets la plupart des plans de la photo (utile quand on veut avoir une netteté parfaite du premier plan jusqu à l horizon, comme pour un paysage).
ocument : Observations et interprétations On cherche maintenant à vérifier l influence de la focale, du temps d exposition et de l ouverture sur la photo. Chaque série de photos intervenant est prise avec le même appareil (Canon 550), d un même endroit et avec une mise au point identique. On précisera au cas par cas les paramètres choisis.. Champ observable: Les photos ci-dessus ont été prises avec des objectifs de différentes focales : 8 mm, 35 mm, 50 mm et 35 mm. Pour le Canon 550, le capteur a comme taille,3x4,9 mm (format APS-C). Les autres paramètres sont identiques sur les 4 photos : ISO 00, f/0 (c est-à-dire N = 0 ),/00 s (c est-à-dire un temps d exposition de /00 s). Question : Commenter l influence de la focale. Illustrer ces constatations par une construction géométrique et calculer l angle du champ photographié dans les quatre cas.. Influence du diaphragme seul Les photos ci-dessus ont été prises avec une distance focale fixe de 76 mm, un temps d exposition fixe de /00 s, une sensibilité identique ISO 00. Seule l ouverture est modifiée. Question 3 : Commenter l'influence de l'ouverture du diaphragme. 3
3. Influence du temps d'exposition seul Les photos ci-dessus ont été prises avec : une distance focale fixe de 76 mm, une ouverture fixe de f/0, une sensibilité identique ISO 00. Seul le temps d exposition est modifié. Question 4 : Commenter l influence du temps d exposition. Que constatez-vous concernant ces deux dernières séries de photos? 4. Influence du diaphragme et du temps d exposition cumulés Les photos ci-dessus ont été prises avec une focale de 85mm. Question 5 : Commenter l influence du diaphragme sur la profondeur de champ. Est-elle en accord avec la formule donnée dans le document? 4
5. Influence du diaphragme et du temps d exposition sur un sujet en mouvement Les photos ci-dessus ont été prises avec une focale de 35mm. Les photos ci-dessus ont été prises avec une focale de 0 mm. Question 6 : Pour les séries ci-dessus, commenter l influence du temps d exposition. Que peut-on dire de l'exposition H? Les deux photos ci-dessus ont été prises dans des conditions similaires avec une focale de 00 mm, et un couple (nombre d ouverture, temps d exposition) égaux à (ISO 00 ; f/5,6 ; /30s) et (ISO 00 ;f/5 ; /5s). Question 7 : Associer chaque triplet à la bonne photo en expliquant les raisons de votre choix. Que peut-on dire de l'exposition de ces deux photos? 5
Correction Paramètres de réglage Question : Les valeurs successives de N forment une suite, laquelle? Même question pour T.? La puissance lumineuse P reçue par unité de surface du capteur s'appelle l'éclairement E donné par la relation : E= k ( ) où k est un paramètre ne dépendant que de la source lumineuse et du facteur de transmission de l objectif. e combien varie-e à chaque saut de N? Quelle est l'unité de E?. Réponse : Les valeurs successives de N forment une suite géométrique de raison. Les temps d'ouverture T forment une suite géométrique de raison. E= k ( ) or = d'où E= k ( ). A chaque saut de N l'éclairement de l'objectif est divisée par. N N L'unité de E est le Lux. Champ observable: Question : Commenter l influence de la focale. Illustrer ces constatations par une construction géométrique et calculer l angle du champ photographié dans les quatre cas. Réponse : e façon manifeste, le champ augmente avec la diminution de la focale : courtes focales champ large et longues focales champ étroit B θm / Grâce F' au O F relation : c / B' schéma, on déduit la θm = tan ( c ) avec c = L +h. AN : c=6,8mm 8mm 35mm 50mm 35mm θm 73 4 30 Utilisation Plan large Champ de vision normal Champ légèrement resserré Champ très étroit Influence du diaphragme seul Question 3 :Commenter l'influence de l'ouverture du diaphragme sur l'exposition. Réponse 3 : L'exposition diminue quand on ferme le diaphragme, c'est-à-dire quand le N.O. augmente. La photo à f / 5,6 est surexposée, à f / 9 est correctement exposée, et à f / 6 et f / 3 sont sous-exposées. Influence du temps d'exposition seul Question 4 : Commenter l'influence du temps d exposition. Que constatez-vous concernant ces deux dernières séries de photos? Réponse 4 : L'exposition diminue quand on diminue le temps d'exposition, c'est-à-dire quand la vitesse augmente. La photo au /00 s est la mieux exposée, avec toutefois une zone sous-exposée car dans l'ombre à gauche. On peut faire correspondre les photos des deux séries deux à deux, il y a similitude des effets de l'ouverture et de la vitesse sur l'exposition. 6
Influence du diaphragme et du temps d exposition cumulés Question 5 : Commenter l influence du diaphragme sur la profondeur de champ. Est-elle en accord avec la formule donnée dans le document? Réponse 5 : A exposition semblable, un diaphragme plus ouvert ( N petit) diminue la profondeur de champ, un diaphragme plus fermé ( N grand) l'augmente. La faible profondeur de champ permet d'isoler le sujet du fond. La formule donnée en première partie est vérifiée. Influence du diaphragme et du temps d exposition sur un sujet en mouvement Question 6 : Pour les séries ci-dessus,commenter l influence du temps d exposition.que peut-on dire de l'exposition H? Réponse 6 : Photos de cascade : une vitesse rapide permet de figer le mouvement et de voir net les sujets en mouvement, alors qu'une vitesse lente crée un effet de filé, qui permet de suggérer le mouvement. Photos du hall de gare : au /30 s tout est net, à s les personnes en mouvement sont floues 6 Photos de cascade : l'exposition H = H= =,6.0 4 pour la photo de gauche est supérieure à l'exposition 3 =5,0.0 5 de la photo de droite. 640 5,6 Photos du hall de gare : l'exposition H = = =,0.0 3 est la même pour les photos. 30 4 Question 7 : Associer chaque triplet à la bonne photo en expliquant les raisons de votre choix.que peut-on dire de l'exposition? Réponse 7 : L'exposition est la même pour les photos. H = =,0.0 4 30 5,6 5 5 La photo de gauche prise au /30 s permet de figer les gouttelettes, mais à f / 5,6 la profondeur de champ est faible, les têtes sont déjà floues. La photo de droite prise au /5 s crée un effet de filet sur l'eau ; l'ouverture de f / permet une bonne profondeur de champ, les têtes sont nettes, l'arrière plan est un peu flou : bonne photo. 7