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La photographie numérique (II) Imprimer Envoyer
Les bases techniques de la photo
Écrit par Administrator   
Samedi, 01 Septembre 2007 17:40

 

Apprendre la photo

Par Thierry Lombry

 

Cet article est la suite de l'article Photographie numérique (I)


Le capteur photosensible
Les formats d'images
Le stockage des images


LE CAPTEUR PHOTOSENSIBLE

Capteur Sony Alpha DSLR-A100

Le CCD au format APS-C de 10 Mpixels équipant le Sony Alpha DSLR-A100 .

Au coeur de l'APN se trouve un capteur CCD ou CMOS, une pièce de haute technologie au regard bleu métallisé ou vert bouteille. Les CDD (charge-coupled device) sont généralement utilisés sur les appareils compacts, les CMOS (complementary metal oxide semiconductors) sur les appareils réflex. Il existe un troisième type de capteur, le Fovéon, mais à ce jour il est uniquement disponible sur quelques appareils de marque Sigma.

Depuis 2000, ces technologies ont fortement évoluées mais toutes les prévisions concernant leur régression ou leur progression se sont avérées fausses. A l'heure actuelle les trois technologies sont performantes et font preuve d'innovations.

Comment fonctionne le capteur photosensible d'un APN ?

Vu de près un capteur photosensible ressemble à une petite plaque solaire dont la surface irisée mesure tout au plus quelques cm2. Le tout est encapsulé dans un circuit électronique et présente des "pattes" comme un processeur. La carte est fixée dans un boîtier équipé de plusieurs entrées-sorties.

Microphotographie de la surface d'un CMOS

Microphotographie de la surface d'un CMOS. Nous sommes à l'échelle de 2.5 microns par pixel ! Document Semiconductor.

Du point de vue électronique, un capteur photosensible CCD, CMOS ou Fovéon convertit le rayonnement (les photons) en électricité grâce à des photodiodes. On appelle communément ces cellules photosensibles des pixels (de l'anglais "picture elements", éléments d'image) mais le terme est trompeur car il caractérise en fait les constituants de l'image résultante (celle d'un écran ou d'un tirage sur papier par exemple). Nous continuerons toutefois à l'utiliser car il est entré dans le langage courant.

Le spectre de sensibilité de ce capteur dépasse largement le spectre visible et s'étend généralement de 200 à 1200 nm voire au-delà ainsi que nous l'expliquerons dans cette page consacrée à la sensibilité des APN aux rayonnements IR et UV .

La photodiode est un semiconducteur constitué d'une jonction P-N (positive et négative) qui convertit les photons bombardant la jonction en une proportion équivalente d'électrons.

La quantité de charges négatives ainsi accumulée doit ensuite être mesurée. Dans un capteur CCD la charge de chaque photodiode est transférée vers une ou plusieurs broches de sortie mais généralement une seule broche située dans un coin du CCD, derrière lequel le signal est converti en tension, bufferisé et transmis au système comme n'importe quel signal analogique. Une fois lu et mesuré, le signal est amplifié puis converti en signal numérique. Il peut alors être manipulé par le processeur d'image pour ensuite être enregistré.

Plus le rayonnement pénétrant dans la photodiode est intense (plus y a de photons) plus il y a d'électrons générés et une haute tension en sortie du capteur. Puisque tous les éléments photosensibles capturent ce rayonnement, le signal de sortie est très uniforme, ce qui fait la qualité de cette technologie et son point fort.

En revanche, dans un CMOS chaque photodiode (pixel) est relié à plusieurs transistors. Chaque pixel assure ainsi directement sa propre conversion de charge en tension, le capteur contenant généralement un dispositif complexe réalisant l'amplification, la réduction du bruit et des circuits numériques annexes. On retrouve en sortie non plus un signal analogique mais digital, des bits.

Les CMOS contenant tout leur hardware et étant donc beaucoup plus compacts que les CCD, on préfère les utiliser pour fabriquer des systèmes miniaturisés. Les caméras à base de CMOS sont de ce fait plus petites que les caméras CCD.

Un appareil à base de CMOS consomme autant si pas plus d'énergie qu'un CCD mais il a besoin de moins de périphériques (circuit CDS, DSP, etc) et par conséquent, sauf exception (caméra Mintron série C),  il consomme globalement 25 à 50% moins d'énergie qu'une caméra CCD de même dimension.

Nikon a été plus loin dans son modèle D2H de 4.1 Mpixels sorti en 2003 en utilisant une technologie "JFET LBCAST" (transistor à effet de champ) qui ressemble au CMOS mais dont le débit de données en sortie est beaucoup plus élevé. Grâce à sa logique et son hardware innovants, ce capteur est capable de réagir plus rapidement, il offre une plus grande résolution, consomme moins d'énergie et présente moins de bruit d'obscurité qu'un capteur traditionnel, autant de caractéristiques qui justifient déjà son prix très au-dessus de la moyenne.

Galleries à visiter : Applications scientifiques des CCD Fairchild

Caractéristique

CCD

CMOS

Signal de sortie du chip

Tension (analogique)

Bits (digital)

Hardware de traitement

Séparé du chip

Intégré au chip

Facteur de remplissage

Elevé

Moyen

Complexité du système

Elevée

Faible

Complexité du capteur

Faible

Elevée

Coût en R&D

Faible

Plus élevé

Hardware de traitement

Séparé du chip

Intégré au chip

Utilisation (en général)

APN compacts, vidéo

APN réflex, ordinateur, jouets

Performance

CCD

CMOS

Sensibilité à la lumière

Elevée (0.1 lux)

Plus faible (10 lux)

Sensibilité aux UV et à l'IR

Etendue

Plus étroite

Réponse

Moyenne

Rapide (10-100x plus)

Consommation d'énergie

Elevée (2-4x plus)

Faible

Dynamique

Elevée

Moyenne

Uniformité du capteur

Elevée

Faible à modérée

Bruit électronique

Faible

Elevé (10x plus)

Shuttering

Assez rapide

Faible

Windowing

Limité

Etendu

Antiblooming

Elevé ou absent

Elevé

Biasing

Multiple

Unique

Signal d'horloge

Tension élevée

Basse tension

L'avantage des CCD est qu'ils sont fabriqués pour transporter les charges à travers le chip sans distorsion, ce qui garantit la très haute qualité des capteurs en terme de fidélité et de sensibilité. Ils sont également plus performants que les CMOS car dans ces derniers la lumière a tendance à frapper plus souvent les transitors que la photodiode. Les CMOS utilisent le même processus de fabrication que les microprocesseurs équipant les ordinateurs.

Comme pour les semiconducteurs (processeurs et mémoires), il existe peu de fabricants de capteurs photosensibles au monde car l'investissement matériel est très élevé, de haute technologie et requiert du personnel hautement qualifié. Qu'une usine viennent à brûler et c'est un pays au bas mot qui peut se retrouver du jour au lendemain sans pièces détachées... Ainsi, si vous achetez un APN Nikon, la plupart du temps son CMOS sera fabriqué par... Sony, si vous achetez un APN Kodak son CMOS proviendra de chez National Semiconductor qui fabrique également le Fovéon de Sigma. Autrement dit, si ce n'est pas le capteur qui fait la qualité d'un APN, ce sont tous les circuits annexes qui l'entoure, la logique (les fonctions logicielles) et bien sûr les optiques.

Bien que les CMOS soient apparus dans les années 1970, près de dix ans après les CCD, les constructeurs ne s'y sont pas vraiment intéressés jusqu'aux années 1990, époque à laquelle ils recherchèrent des solutions consommant moins d'énergie, augmentant la miniaturisation ("camera-on-a chip") et réduisant les coûts de production tout en préservant la qualité des images. Il faudra une autre décennie, beaucoup d'argent et des adaptations mais le résultat fut très probant et a fini par faire exploser le marché des APN.

Sensibilité et rendement des capteurs CCD et CMOS

Le système digital DCS de Kodak.

En nous limitant au spectre visible, le taux de conversion des photons en électrons représente le rendement ou l'éfficacité quantique du capteur. En théorie le rendement dépasse 99.9% mais il varie en fonction de la longueur d'onde. Dans les APN grands publics le rendement peut atteindre 60% dans le rouge mais il dépasse 90% dans certains systèmes professionnels.

Le capteur présente également une excellente linéarité (le signal de sortie est presque proportionnel au nombre de photons incidents), sans échec à la loi de réciprocité durant les longues expositions comme leurs homologues argentiques. A titre de comparaison, même des émulsions aussi performantes que l'ancien Kodak TP2415 hypersensibilisé ne peut pas se mesurer face au temps de réponse et à la résolution d'un capteur CCD ou CMOS. La différence est au moins d'un facteur 2 en faveur du capteur numérique, un capteur CCD capturant la lumière au moins 100 fois plus rapidement qu'une émulsion argentique, d'où son intérêt en astronomie pour la photographie du ciel profond.

Un oeil humain est capable de percevoir un object illuminé sous 1 lux, ce qui équivaut à la lumière de la pleine Lune. La sensibilité d'un CCD est dix fois plus élevée et varie entre 0.1 et 3 lux. En revanche le CMOS est encore 3 à 10 fois moins sensible avec 6 à 15 lux seulement. Ce dernier est pratiquement inutilisable sous 10 lux et présente un niveau de bruit fixe 10 fois supérieur au CCD. C'est la raison pour laquelle toutes les caméras vidéos et les capteurs dédiés à l'astronomie sont équipés d'un capteur CCD.

Le CMOS est normalement utilisé dans les jouets et les appareils de sécurité domestique bon marché. Mais il a deux exceptions. D'une part on peut fabriquer de très grands CMOS qui présentent la même sensibilité que les CCD. D'autre part les CMOS réagissent 10 à 100 fois plus rapidement à la lumière que les CCD d'où leur utilisation dans les APN et des applications spécialisées (Canon DSC D-30) ou nécessitant une cadence d'images très élevée (15-30 fps).

Un capteur photosensible CCD ou CMOS est constitué d'une seule matrice photosensible qui est recouverte d'un filtre coloré appelé une grille de Bayer. Contenant des éléments de différentes couleurs, elle permet de sensibiliser les pixels à une seule des 3 couleur primaire : le rouge, le vert ou le bleu.

A lire : Sensibilité des APN aux rayonnements IR et UV

Capteur photosensible et grille de Bayer

Adapté d'un document de Vincent Bockaert/123di.com

Le processeur d'image associé au capteur photosensible combine ensuite ces trois couleurs primaires RGB pour créer par synthèse additive (une multiplication) une image couleur.

Comme l'écran d'une télévision, vu de près, le capteur n'est qu'une juxtaposition de pixels rouges, verts et bleus alignés. Mais ne mesurant quelques microns chacun, à bonne distance la mosaïque de la grille de Bayer constituée de millions pixels forme une image couleur uniforme et apparemment sans "escalier" ou "alias". Toutefois nous verrons plus bas que la pixelisation et ces fameux "escaliers" deviennent apparents lors des agrandissements.

Si généralement cette technologie donne d'excellents résultats, pour sa part, Sony a préféré adopter une technologie originale en remplaçant la grille de Bayer par une grille 4 couleurs dite RGBE : une grille RGB classique plus un filtre émeraude pour remplacer le deuxième vert comme indiqué dans ce schéma RGBE . Le système fut exploité en 2003 dans son modèle DSC-F828 mais qui eut un succès mitigé. Le résultat donne des couleurs plus conformes à la réalité bien qu'elles paraissent légèrement plus chaudes que la solution de Bayer comme on peut le voir sur ces deux images.

Simulation grille de Bayer

Simulation très agrandie de la grille de Bayer fixée sur les CCD et CMOS des APN. Constituée d'une mosaïque de filtres RGB, elle permet au processeur d'image (non visible) de reconstruire une image couleur.

Pour sa part, pour ses modèles SD9 et SD10, Sigma a adopté le système Fovéon X3 dans lequel 3 grilles respectivement rouge, verte et bleue sont superposées, à l'image des émulsions argentiques. Les photosites mesurent 9 microns. Actuellement, pour un oeil professionnel du moins, le résultat reste inférieur aux performances de la grille de Bayer. Par ailleurs l'appareil est assez cher (environ 1700-2000 € avec optique pour une résolution de 10 Mpixels).

Malgré tout, la société Semiconductor insights par exemple, experte dans ces technologies et qui assure du conseil auprès des entreprises estime que le Fovéon pourrait révolution l'industrie de la photographie.  En effet, actuellement les technologies CCD et CMOS exigent que les APN s'entourent d'algorithmes mathématiques complexes pour évaluer les couleurs, ce qui requiert des processeurs d'images dédiés dans l'appareil. Cette technologie ajoute des coûts et de la complexité à la conception des APN, ce qui explique le délai entre l'instant où vous appuyez sur le déclencheur et le moment où vous entendez le "clic" de l'enregistrement réel de l'image. On y reviendra.

Grâce au Fovéon X3, le capteur enregistre les trois couleurs primaires dans chaque pixel, éliminant le recourt à des processeurs additionnels d'où résulte en théorie de plus belles images, une conception simplifiée des appareils et une amélioration de leurs performances.

A lire : Nikon a déposé un brevet de capteur RGB dichroïque

Kodak vient d'avoir une idée flash !

Rochester, NY, 14 juin 2007 : Le fabricant américain Kodak annonce l'introduction de ce qu'il appelle "une percée majeure dans la technologie des capteurs d'image". La technologie qui ne porte pas encore de nom, augmente de 2 à 4 fois la sensibilité des photo-capteurs, ce qui permettrait d'éliminer le recours au flash dans des conditions de faible éclairement. Le nouveau photo-capteur utilise des pixels RGB et panchromatiques. Lire la suite.

 

Dimension du capteur

Sur la plupart des APN, la surface du détecteur est beaucoup plus petite que celle d'un film de 35 mm. Comparée à la surface d'une image de 24 sur 36 mm, le capteur d'un APN de 3, 4 ou 5 Mpixels ne mesure que 7.20 x 5.35 mm. Vous placez donc plus de 20 capteurs CMOS de cette dimension sur une image 24x36 ! Pas étonnant que la qualité s'en ressente. Il faut utiliser des capteurs d'au moins 6 Mpixels pour couvrir à peu près les 2/3 d'une image 24x36. Ces capteurs de 23.7 x 15.7 ± 0.1 mm fixés dans des chips de 40 x 30 mm équipent les systèmes APS-C (Advanced Photo System Classic) dont quelques réflex Canon et les Nikon de la série D que Nikon appelle le format DX (de même que les optiques Nikkor DX qui leur sont destinés).

Le CMOS Full Frame équipant le Nikon D3.

Le CMOS "full frame" équipant le Nikon D3.

 

En fait la dimension des capteurs n'est pas exprimée en mm mais se réfère à une vieille mesure anglaise dans l'"imperial system" (inches, etc) remontant aux années 1950 utilisée à l'époque pour définir la dimension des tubes des caméras TV. Elle s'exprime en fraction et correspond à peu près aux 2/3 du diamètre de la matrice originale qui sert à les fabriquer. En effet, on a découvert à l'époque que seuls les 2/3 environ de la surface située au centre de la galette (wafer) de silicium étaient exploitables. Pour des capteurs des APN réflex de plus de 3 Mpixels cela correspond à une dimension ou type 1.8" (à ne pas confondre avecc le type 1/1.8" des compacts) également appelé APS-C qui correspond à un diamètre de 45.720 mm et une matrice de 15.7 x 23.7 mm (rapport 3:2), donc assez proche du 24x36. Aujourd'hui, seul Olympus utilise encore sur ses réflex des capteurs au rapport 4:3.

Depuis 2001 il existe des capteurs CMOS de 24 x 36 mm dit "full frame" mais ils sont encore réservés à des appareils de milieu et haut de gamme. Ils équipent par exemple le Canon EOS-1Ds Mark II de 16.6 Mpixels (8000 € boîtier nu), à 1 ou 2 mm près le Canon EOS 5D de 12.8 Mpixels (2500 € boîtier nu) et le Kodak DCS-14n de 13.8 Mpixels déjà retiré du marché.

Cette très lente pénétration du format 24x36 s'étendra aux autres marques à mesure que le prix des composants électroniques diminuera et de la stratégie, de l'envie des sociétés d'investir dans ce format. Chez Canon par exemple, il a fallut attendre 17 ans d'évolution technologique pour atteindre ce format. Quant à Nikon, pour l'instant il préfère le format APS-C. Dans tous les cas ces formats respectent déjà le rapport 3:2 ce qui est une bonne chose. On en reparlera dans quelques années.

Paradoxalement, on imagine que plus les pixels sont petits, plus la résolution spatiale sera élevée et donc l'image de qualité . En pratique on constate que si techniquement on est capable de créer des éléments de 5.5 microns par exemple comme sur les Olympus E300 et E500 de 8 Mpixels (et même deux fois plus petit), Canon par exemple a sorti en 2005 le modèle EOS 5D de 12.8 Mpixels dont les pixels ont pratiquement la même taille que ceux du modèle 1D Mark II de 16 Mpixels, soit 8.2 microns.

Il apparaît qu'un capteur mesurant 24 x 36 mm donnera une image plus nette s'il utilise des pixels proches de 9 microns. En effet, plus petits, le système électronique perd sa capacité à capturer les photons et génère plus de bruit électronique et dans un spectre plus étendu. La diffraction est également beaucoup plus importante.

Mais de son côté, Canon ne l'entend pas ainsi et espère agrandir la taille des pixels pour produire des images aux couleurs plus riches et augmenter la dynamique de l'EOS 20D qui utilise des pixels 20% plus petits, de 6.4 microns.

CMOS ClearVid de Sony

Le CMOS ClearVid de Sony sorti en 2006 permet d'augmenter la résolution du capteur de 40% ainsi que sa sensibilité sans augmenter la densité des pixels.

Le record de miniaturisation est détenu par la société Micron qui est parvenue en 2005 à diminuer la taille des pixels jusqu'à 1.7 micron. Selon Hisayuki Suzuki, directeur du markering Imagerie de Micron, "réduire la taille du pixel permet d'envisager des applications mobiles et domestiques offrant une plus grande résolution et de plus petits facteurs de forme. En outre, de plus petits pixels permettent d'augmentation les fonctions dans d'autres applications telles que médicales, biométriques et la haute vitesse".

Sony a trouvé une autre astuce pour augmenter la résolution des images. Reprenant un concept déjà proposé en 2003 par Fujifilm sur son APN SuperCCD, sachant que la densité des pixels sur un chip dépend de la largeur des pixels, une manière d'augmenter la densité du chip sans modifier la taille des pixels est de placer ces derniers non plus dans une matrice rectangulaire mais en losange. Ainsi, en 2006 Sony a sorti un chip baptisé ClearVid (Clear + Vivid) pour sa nouvelle caméra vidéo DCR DVD505 qui utilise des pixels de 2.9 microns mais dont le pitch, l'écart de centre à centre, au lieu d'être de 2.9 microns et de 2.05 microns. Le gain est appréciable car les résolutions horizontale et verticale ont ainsi augmenté de 40% et par conséquent la sensibilité par pixel est également plus élevée que sur les chips classiques.

Notons, car on l'apprend souvent à ses dépens et après avoir réalisé des tirages par exemple, que si vos tirages vous reviennent tronqués c'est parce que le capteur de votre APN ne respecte pas le rapport 3:2 du format 24 x 36. Il est sans doute plus étroit de 14%. Vous possédez vraisemblablement un compact ou l'un des derniers APN réflex respectant le rapport 4:3.

Par ailleurs les optiques classiques couvrant un champ plus étendu que celui calculé pour un capteur numérique, les images auront l'impression d'être agrandies de 30 à 65% voire 200% selon les capteurs. On reviendra sur ces dimensions et leurs conséquences sur les images lorsque nous discuterons des objectifs.

Pixels et résolution du capteur

Ainsi que nous venons de l'expliquer, le chip d'un APN (mais également d'une caméra vidéo numérique) est constitué d'une matrice de lignes et de colonnes de photodiodes ou "pixels". Un amateur qui souhaite agrandir ses photographies est vite confronté au problème de la pixelisation des images et de la perte de résolution dans les détails. C'est ici qu'on prend conscience de l'intérêt d'utiliser un APN offrant une grande résolution (en nombre de pixels) et de réaliser des impressions en haute définition (200-300 dpi).

Ainsi que nous le verrons page suivante à propos de la résolution des images, pour un tirage amateur (ni pour des expositions ni pour des publications), un APN de 3 Mpixels permet déjà de réaliser des agrandissements A4 (20x30 cm) et même jusque A1 (50x70 cm) après traitement d'image. Mais si vous envisagez une publication A4 à 300 dpi dans un magazine photo, il est vivement conseillé de travailler avec une résolution d'au moins 8 Mpixels. On y reviendra.

Ecran TFT du Sony Alpha DSLR-A100

L'écran TFT du Sony Alpha DSLR-A100 et les boutons et autre sélecteur permettant d'accéder au menu et aux fonctions. Comparé à ses concurrents, ce design est très épuré. Mais l'essentiel est qu'il soit pratique.

La haute résolution est également nécessaire pour les portraits où la qualité d'une image ne dépend pas seulement de la mise en scène, des lumières ou de l'optique mais également de la netteté des détails de la peau. Pour les distinguer sur des agrandissements, il faut augmenter la résolution jusqu'à 10 Mpixels minimum.

C'est ici, ainsi que pour la création de posters et autre "wallpapers" qu'on apprécie l'avantage de disposer d'un APN offrant une très haute résolution et des photodiodes relativement petites.

Ceci dit, la photographique numérique reste en retard sur la qualité des images argentiques. En théorie, si on veut obtenir avec un APN le même piqué d'image qu'en photographie argentique, compte tenu de la taille actuelle des photodiodes, il faudrait utiliser un APN offrant une résolution d'au moins 150 Mpixels ! On en reparlera dans une génération...

Heureusement, en attendant de résorber ce retard, le traitement d'image permet de pallier à cet inconvénient ainsi que les techniques d'impression offset lorsqu'on envisage des impressions grand format. On y reviendra.

Le bruit électronique

Les capteurs photosensibles émettent un bruit thermique lié à la température des composants et un courant d'obscurité provoqué par le déplacement aléatoire des électrons, même en l'absence totale de photon. Le niveau de bruit augmente avec la sensibilité (ISO) et la température du capteur ou de la température ambiante (il double tous les 5°).

Bruit électronique du Canon EOS 20D

Bruit électronique du Canon EOS 20D à 1600 ISO équipé d'un objectif zoom de 10-22 mm à f/4.5. Document Imatest.

Ce bruit devient apparent à partir d'environ 1600 ISO au point de détruire les plus fins détails de l'image. Ce problème a été accentué avec la technologie CMOS. Il est plus apparent chez certaines marques (Canon) bien qu'à faible sensibilité (inférieure ou égale à 400 ISO), Nikon comme Canon présente un niveau de bruit équivalent.

Ce bruit qui parasite les images prend soit la forme de pixels brillants dispersés aléatoirement dans l'image soit d'un motif constitué de bandes parallèles parfois colorées qui apparaissent lors des poses nocturnes prolongées. Il peut-être réduit sur certains APN grâce à une fonction de réduction de bruit (NR) ou l'enregistrement d'une image noire (dark frame) qui sera soustraite des images. On y reviendra dans d'autres articles consacrés aux caméras CCD et aux appareils photos numériques en astrophotographie .

Notons qu'à ce bruit électronique peut s'ajouter les poussières présentent sur le filtre anti-aliasing qui protège le capteur photosensible. Elles apparaissent surtout lorsque l'APN est fortement diaphragmé (f:8 et supérieur) sous forme d'anneaux concentriques comme on le voit sur ces images réalisées avec un Canon EOS 20D et analysées grâce au logiciel Imatest (Light Falloff). Des problèmes optiques comme le vignetage peuvent accenter les défauts de l'image.

Protection du capteur

Malgré la présence de l'obturateur mécanique sur la plupart des APN réflex, les fabricants ont dû inventer de nouvelles techniques pour prévenir le dépôt de poussières sur le capteur photosensible ou l'effet indésirable des rayonnements. Plusieurs solutions ont été proposées car ce problème affecte le capteur à différents degrés.

Système Antipoussière ICS

Le système "anti-poussières" ICS imaginé par Canon pour le système EOS 400D.

Olympus par exemple utilise un filtre SSWF sur lequel Sony semble également avoir capitalisé. Un revêtement anti-statique constitué d'une couche mince d'oxyde d'indium est appliqué sur un filtre passe-bas placé juste devant le CCD pour s'assurer qu'aucune poussière ne vienne s'accumuler sur le capteur par électricité statique. Un vibreur anti-poussière "supersonique" (en fait ultrasonique à 35 kHz) se déclenche ensuite lorsque l'appareil est mis sous tension. D'autres modèles utilisent une bande adhésive pour capturer les poussières.

Si cela ne suffit pas, ainsi que le montre cette vidéo, le Canon EOS 400D (Digital Rebel XTi) vous propose un système dénommé "Integrated Cleaning System" comprenant notamment un filtre passe-bas (IR bloquant) sur lequel est fixé un piézo-élément qui le fait vibrer pour faire chuter les poussières. Mais comme visiblement cela ne suffit pas, le constructeur a prévu de réaliser une "white frame" : vous photographiez une surface blanche dont se servira le processeur d'image pour supprimer les traces de poussières qui s'obstineraient à rester sur les images. Cette méthode semble plus efficace que les fonctions équivalentes existant dans les logiciels de traitement d'image.

Nettoyage du capteur

Comment voit-on que le capteur contient des poussières ? Généralement vous remarquez qu'il y a de petites taches sombres plus ou moins floues sur vos images. Vous pouvez également photographier une surface blanche en fermant le diaphragme au maximum afin d'avoir une grande profondeur de champ. Tous les points sombres sont en principe les traces laissées par des poussières collées sur le filtre protégeant le capteur.

Comment nettoyer le capteur ? En fait on nettoie le filtre qui le recouvre et jamais le capteur, sauf en laboratoire. En effet, vous pouvez également nettoyer le capteur mais vous allez devoir ouvrir l'appareil ce qui signifie perdre la garantie, dévisser des modules, soulever des circuits imprimer, retirer le filtre avec plus ou moins de difficulté et seulement ensuite accéder physiquement au capteur. A réserver aux professionnels.

Pour nettoyer ce filtre et par la même occasion votre objectif, travaillez sous une lumière forte et dans un endroit à l'abri des courants d'air et des poussières.

Retirez l'objectif et nettoyez-le séparément avec un produit d'entretien pour optique (Hama par exemple ou tout autre produit à base d'alcool isopropylique). L'usage des poires à air est déconseillé (au mieux en aspiration) car un jet d'air trop puissant peut déplacer des grains de poussières et rayer les surfaces.

Pour le capteur, si le système est doté d'un obturateur mécanique, via le menu verrouillez le miroir réflex en position haute puis enfoncez le déclencheur à fond qui va procéder à l'ouverture de l'obturateur. Généralement cette ouverture couplée au verrouillage du miroir ne fonctionne que si la batterie est chargée à plus de 50%. Cette mesure de sécurité évite la fermeture du dispositif et de coincer éventuellement vos doigts ou le pinceau dans la chambre noire si la batterie était presque vide. A défaut de cette sécurité, ne procédez au nettoyage qu'avec une batterie totalement chargée dans l'appareil. Un accident signifierait pour votre APN un retour garanti au service technique.

Visible Dust

Bien que cela puisse fonctionner, ici aussi évitez d'utiliser une poire ou même un mini-aspirateur. Utilisez plutôt une petite brosse anti-poussière électrostatique. Visible Dust par exemple vend un pinceau électrique "Arctic Butterfly" (~80 € plus 2 piles AA) conçu à cet usage. Allumez-le et le pinceau va se charger d'électricité statique en quelques rotations. Ne faites jamais tourner le pinceau près du capteur !! Il suffit ensuite de l'appliquer sur le filtre recouvrant le capteur pour extraire en douceur les petites poussières, du moins celles qui n'adhèrent pas au support.

Pour les rares éléments résistants, l'idéal serait d'utiliser du coton chirurgical et de l'alcool isopropylique à 99% (comme on le fait pour nettoyer un miroir ou une lame de fermeture) mais notre capteur est vraiment trop petit pour utiliser ce matériel. Vous pouvez remplacer cette solution par un coton-tige imbibé de produit d'entretien pour optique mais offrez le moins de pression possible sur la surface pour ne pas endommager le système. Une fois le nettoyage terminé, refermez l'obturateur mécanique et déverrouiller le miroir réflex. Cette méthode est couramment utilisée et ne pose aucun problème et vous pouvez même répéter l'opération plusieurs fois si des poussières subsistent. Nikon va même jusqu'à conseiller de nettoyer le filtre avec une souflette et une peau de chamois.

Ceci dit, si vous n'êtes pas sûr de vous, il vaut parfois mieux laisser une poussière récalcitrante en place que de vouloir à tout prix l'enlever et risquer d'endommager le système. La prudence est reine des vertus. En cas d'hésitation, bien compréhensible la première fois, consultez votre photographe qui n'hésitera pas à vous faire une démonstration.

LES FORMATS D'IMAGES

Moniteur LCD du Nikon D80

Le moniteur LCD du Nikon D80

L'image enregistrée par le capteur peut être sauvegardée selon trois critères : le format, la résolution et la qualité d'image (on ne parle pas de définition mais de niveau de compression).

Les formats standards d'images sont le RAW, le JPEG et le TIFF. Il existe quelques variantes supplémentaires sur les APN haut de gamme.

Certains formats sont associés à un facteur de compression variable (TIFF, JPEG) qui permet de gagner de la place sur la carte-mémoire si la qualité du document n'est pas primordiale. Dans tous les cas la définition est de 300 dpi.

L'image se caractérise également par sa résolution, le nombre de pixels effectifs qu'elle contient. Ici il y a deux notions.

Si les revues de produits ne le font pas toujours, il faut toutefois faire la distinction entre le nombre de pixels contenu dans une image (valeur effective) et le nombre de photodiodes dont est constitué le capteur. Le Fujifilm FinePix S5 Pro par exemple dispose d'un capteur de 12.3 "Mpixels" ou photodiodes mais ne tire des images qu'en 6 Mpixels (effectif) car il travaille par interpolation.

A titre d'information, sur un APN de 10.1 Mpixels comme le Canon EOS-400D, la résolution maximale est de 3880 x 2592 pixels mais on peut la dépasser de 50% si le capteur travaille par interpolation (par ex. sur les Fujifilm Pro). La résolution la plus basse dépend du capteur et pour un format APS-C de 10 Mpixels cela correspond généralement à une résolution proche de 1936 x 1288 pixels ou même 1125 x 750 pixels, jamais inférieure (comparée au 640 x 480 pixels des petits compacts).

Enfin, il y a la qualité de l'image : Excellente (sans compression, généralement associée à la résolution maximale de votre APN), Haute, Moyenne et Basse, cette dernière étant généralement très compressée et juste bonne pour des tirages amateurs ou une publication sur Internet. On y reviendra.

Le format RAW

"RAW" signifie "brut", c'est-à-dire que l'image n'a subit aucune altération et en particulier aucune compression destructive lors de son enregistrement. Ce format peut donc subir une compression malgré ce qu'on pense généralement. Ainsi, si le Nikon D50 sauve ses images en format RAW non compressé, le D70 sorti en même temps et qui offre pratiquement la même résolution (6 Mpixels) assure une compression automatique.

RAW est un format propriétaire, particulier à chaque constructeur et dont le protocole n'est pas documenté (public). Les images sauvées dans ce format prennent l'extension .CRW ou .CR2 chez Canon, .ORF chez Olympus ou encore .NEF chez Nikon.

Canon EOS 20D

Sélection du format des images sur le Canon EOS 20D. Selon les modèles, les menus seront plus ou moins éclatés et colorés. Cela participe également aux qualités ergonomiques d'un APN.

Le format RAW n'est pas un standard mais un format d'échange commun à différents appareils numériques (APN, scanner, etc). C'est un format d'image de 8 à 16 bits/couleur (24 à 48 bits/pixel) selon les modèles et donc très gourmant en ressources. Pour les APN codant l'image sur 12 bits/couleur, c'est par logiciel qu'ils convertissent l'information par échantillonnage vers le format 16 bits/couleur.

A titre d'information, une image RAW occupe deux à trois plus d'espace sur disque qu'une image JPEG ! Quant au format HDR, il génère des fichiers 3 fois plus volumineux encore que le format RAW. On y reviendra.

L'image RAW est associée à ce qu'on appelle un metadata EXIF (voir plus bas), un fichier d'échange de données contenant toutes les informations sur la prise de vue. Ces données sont également contenues dans le format JPEG mais le format RAW a l'avantage d'inclure également des données pour la conversion RGB qui permet de restituer l'image couleur (il convertit les gris en image couleur en interpolant les valeurs chromatiques des pixels manquants dans chaque canal RGB). On y reviendra.

En effet, outre sa plus grande dynamique comparée au JPEG, le format RAW fournit une pseudo-image qui n'est pas encore convertie en valeurs de couleurs. Autrement dit, par traitement d'image il permet de corriger plusieurs paramètres d'exposition après la prise de vue :

- L'exposition entre -2 et +2 EV (ou IL)

- La balance des blancs

- La netteté, le contraste et la saturation des couleurs.

Avec une telle latitude de travail, la prise de vue peut pratiquement être recommencée sur ordinateur ! L'image peut ensuite être sauvegardée au format JPEG ou TIFF sans altérer l'original.

Seule contrainte pour les utilisateurs, l'exploitation du format RAW exige en général de recourir au programme livré avec l'APN ou des logiciels de traitement d'image très récents et assez gourmands en ressource mémoire (voir plus bas).

Le format RAW est notamment utilisé pour préserver l'information contenue dans une image sur ou sous-exposée, bien qu'ici aussi à l'impossible nul n'est tenu; le format RAW n'est pas du HDR (voir plus bas) et si les pixels sont saturées ou n'ont pas été chargées, aucun logiciel ne pourra y remédier.

Du fait que le format RAW préserve toute l'information des pixels, il est également utilisé pour effectuer la calibration d'un APN qui permet de créer son profil ICC.

Notons enfin que certains APN performants proposent en plus des formats RAW et JPEG, le format RAW+JPEG qui sauve l'image directement dans les deux formats. On gagne ainsi du temps à la prise de vue.

Logiciels supportant le format RAW

Ainsi que nous l'avons dit, ce format créant généralement des images en 12 ou 16 bits/couleur, il est supporté par relativement peu de logiciels de traitement d'image comparé à d'autres formats. Parmi les plus connus citons iPhoto pour Mac et Adobe Photoshop CS2 muni du plugin Camera Raw. Ils supportent tous deux la majorité des APN. Seul inconvénient, Photoshop CS2 ne tournera pas sur votre système si vous ne disposez pas au minimum d'un Pentium III ou d'un PowerPC G3 et de 320 MB RAM.

Parmi les logiciels moins gourmands et gratuits ou en shareware citons Raw Therapee et UFRaw, ce dernier pouvant s'interfacer avec Gimp et tous deux étant étant basés sur le moteur dcraw de Dave Coffin, Adobe RawShooter Essentials, et deux produits propriétaires, Canon Digital Photo Professional (pour Canon) ainsi que NikonView et Viewraw (pour Nikon). Enfin, Microsoft propose également RAWViewer qui permet de lire les fichiers RAW mais pas de les éditer.

Parmi les logiciels sous licence, outre Photoshop et Camera Raw, citons Adobe Photoshop Ligthroom (beta), Adobe RawShooter Premium, Aperture, Bibble labs, BreezeBrowser Pro, Capture One Pro, DxO Optics Pro (beta), Helicon Filter, Imatest, Corel PaintShop Pro, SilkyPix Developer Studio et des produits propriétaires tels que Capture NX et Nikon Capture pour Nikon.

Dans le cas de Photoshop version CS et supérieures, rappelons que le plug-in d'importation NEF (Nikon) s'installe automatiquement lors de l'installation du logiciel fourni avec l'APN.

Certains parmi ces logiciels ne supportent que le format RAW 12 bits/couleur, d'autres acceptent le format 16 bits. Certains supportent une liste assez limitée de modèles d'APN qui ne peut être modifiée, d'autres acceptent une mise à jour de leur liste où les ajoutent seulement quelques années plus tard dans une nouvelle version du produit.

A lire : Comparatif des logiciels d'édition d'images RAW
Comprendre le format RAW
par Gilbert Volker

Le format TIFF

Options du format Tiff

Les options du format TIFF.

TIFF est un format d'image universel inventé en 1987 par Aldus, le créateur du logiciel Pagemaker. Il en est aujourd'hui à la version 6.0. C'est un standard haute résolution codant les pixels sur 8, 16 et même 32 bits entiers (pas encore en virgule flottante), ce qui lui permet de gérer jusqu'à 4.29 milliards de couleurs. Il supporte également plusieurs algorithmes de compression (dont LZW et ZIP sans perte de détails et JPEG en théorie mais pas dans les faits).

Le format TIFF est surtout utilisé dans l'édition. Il est peu utilisé sur les APN car il occupe beaucoup d'espace disque. A titre d'information, si un image JPEG de 12 Mpixels occupe 4 MB, elle en occupe 4 fois plus au format TIFF 32 bits non compressé. Ce format est toutefois proposé sur quelques APN haut de gamme disposant de cartes-mémoires de haute capacité.

Seule contrainte, en théorie les fichiers TIFF (.tif ou .tiff)  ne peuvent pas dépasser environ 4 GB de données "rasterisées", c'est-à-dire de points images compressés. En effet, si le taux de compression est suffisamment élevé, une image TIFF peut atteindre une taille de 232-1 pixels2, soit 65536 x 65536 pixels, ce qui représente un fichier de 4.3 GB. On comprend que les amateurs ne l'utilisent pas souvent car la carte-mémoire CompactFlash de 5 GB n'a été commercialisée par Seagate qu'en janvier 2005 et celle de 16 GB fin 2006 !

La compression JPEG

Beaucoup d'amateurs sauvent leurs images au format JPEG car c'est un standard lisible par tous les logiciels contrairement au format RAW.

A l'inverse du RAW, le JPEG  ne conserve pas toutes les informations contenues dans chaque pixel, ce qui limite fortement la latitude du traitement d'image sur les hautes ou les basses lumières. Mais pour du travail ordinaire où l'amateur ne vise par les concours de photographie, le JPEG est le format le plus pratique car il génère des fichiers 3 fois plus petits que le format RAW sans pour autant réduire la résolution. Comme tous les formats, il est toutefois associé à plusieurs types de résolution.

Si vous sauvez l'image au format JPEG (extension .jpg et parfois .jpeg), le protocole de conversion effectuera d'office une compression de l'image qui sera toujours plus ou moins destructrice. Ici également, l'APN vous propose plusieurs taux de compression relatifs (Superfine, Fine, Medium et Normal).

Comment comprime-t-on une image ? Le protocole du format JPEG va essayer de gagner de la place sur tous les pixels redondants. Prenons une analogie. Si au lieu de décompter la couleur de chaque pixel d'une image en notant "bleu, bleu, bleu, vert, vert, jaune" vous dites "3 bleus, 2 verts, 1 jaune" vous avez gagné du temps et de l'espace, dans ce cas ci 31%, et vous pourrez reproduire les couleurs sans perdre aucun pixel. Mais au pire il peut considérer qu'il y a "du bleu dans cette zone, du vert dans cette autre et du jaune ailleurs". Cette fois la description de l'image est imprécise et conduira à la perte des détails. Ainsi procède le format JPEG. Mais cela n'est efficace que s'il y a peu de couleurs (ou de détails). A la limite, si tous les pixels sont différents, l'algorithme de compression ne sert à rien. Ceci explique pourquoi dans les mêmes conditions de travail, toutes les images JPEG n'ont pas la même taille sur disque, variant du simple au double selon les détails du sujet.

Quel est l'effet de la compression ? A la prise de vue vous ne verrez pas l'effet si ce n'est indirectement par le fait que vous pourrez enregistrer plus de photographies sur votre carte-mémoire. C'est au cours du transfert (plus rapide qu'en RAW) et du traitement d'image sur ordinateur que vous verrez la différence et elle vous sautera aux yeux comme on le voit ci-dessous.

Compression et perte

De gauche à droite, une image respectivement non compressée, à 25 et à 50%. Sa taille sur disque passe respectivement de 190 à 64 et 46 KB. Un taux de compression de 25% est encore supportable lorsque le sujet présente très peu de détails, mais un portrait ou une scène très détaillée supporte très mal cette dégradation.

A la sauvegarde d'une image au format JPEG sur votre ordinateur, si vous utilisez un faible taux de compression (10%) l'effet sera peu visible à l'oeil nu mais déjà perceptible sur les agrandissements de sujets détaillés. Avec 50% de compression comme on le voit ci-dessus à droite, la qualité des détails devient catastrophique. C'est à éviter. Pour constituer un dossier de travail ou publier des photographies sur Internet, une compression de 20 à 25% est acceptable, c'est le taux adopté pour la plupart des images publiées sur ce site.

Comme les détails supportent très mal la compression, il y a également une couleur très sensible à cet artifice, c'est le rouge qui perd rapidement sa saturation et "déteint" sur les couleurs limitrophes. Quand il s'agit d'un petit détail rouge, si le taux de compression est important (>20%), il peut totalement disparaître dans une tache floue. Si vous êtes amené à photographier des objets rouges, n'utilisez que le format RAW ou le TIFF qui n'altère pas les pixels. Même problème lors du traitement d'image : en présence de détails rouges ne compressez l'image que de 10% maximum ou sauvez-là dans un format qui préserve sa couleur (TIFF, BMP, PNG, éventuellement GIF si l'image est codée sur 8 bits).

En bref, si vous souhaitez préserver la qualité de vos images, évitez d'utiliser la compression car vous allez bâcler tout votre travail et perdre votre temps en vain.

Logiciel Thumber

Le logiciel Thumber supporte le format EXIF.

Le format d'échange EXIF

Les formats d'images RAW et JPEG notamment contiennent un entête EXIF reprenant toutes les informations sur les conditions de prise de vue (exposition, optique, etc). Ces données sont bien sûr lisibles par l'appareil photo et par certains logiciels supportant ce format. Ils sont peu nombreux. Toutefois, si vous retouchez l'image, même sous Photoshop, généralement ce format n'est pas supporté et l'information sera perdue à la première sauvegarde. Par sécurité, travaillez donc toujours sur des copies des fichiers originaux afin de conserver leur intégrité. Un logiciel très utile supportant le format EXIF est Thumber présenté à droite. De plus il est gratuit.

Taille des images

Si nous voulons comprendre comment les APN et les logiciels gèrent les images, nous devons discuter du format binaire des fichiers images et de leur taille. Ces concepts font appel à des notions d'informatique très élémentaires.

La question de tout le monde se pose en achetant un APN offrant une résolution déterminée est de savoir quelle taille occupe sur disque une photographie numérique ? Tout dépend du format et du taux de compression. Imaginons une image de 12 Mpixels sauvegardée en 4096 x 3072 pixels sans compression.

Rappelons avant tout que 1 MB contient 10242 bytes et qu'il y a 8 bits dans un byte (octet). La technologie actuelle des APN code l'information sur 8 ou 12 bits/couleur. Il y a 3 couleurs par pixel, ce qui porte leur taille mémoire à 24 ou 36 bits/pixel. Le format de 24 bits/pixel correspond au mode "true color" des écrans d'ordinateur et des imprimantes de qualité photo. Il permet de gérer plus de 16.7 millions de couleurs tandis que le format 36 bits/pixel peut gérer jusqu'à 68.7 milliards de couleurs.

En "true color", une image de 4096 x 3072 pixels non compressée occupera (4096 x 3072 x 24 / 8) / 10242 = 36 MB sur disque. Une image de 2048 x 1536 pixels occupera 9 MB (c'est normal car elle est 4 fois plus petite). Ce sont des valeurs maximales. On comprend mieux l'intérêt des cartes-mémoires de grandes capacités.

Photo T. Lombry Photo T. Lombry Photo T. Lombry

Trois photographies prises dans le même format (JPEG), le même mode (24 bits/pixel), la même résolution (2048 x 1536 pixels) et le même taux de compression (Fine). De gauche à droite, la taille du fichier est respectivement de 636 KB, 1.8 MB et 4.3 MB, tout dépendant de la quantité de détails présents dans l'image. Documents T.Lombry.

 

Notons que la taille du fichier n'est pas strictement linéaire en fonction de la résolution ou du mode d'affichage car elle dépend également du niveau de détail contenu dans l'image ainsi que du format d'image et de la qualité (du taux de compression) comme on le voit sur les exemples présentés ci-dessus. Ainsi en utilisant le même mode d'affichage (par ex. 8 bits/couleur) et la même résolution (2048 x 1526 pixels), l'image d'un paysage contenant 80% de ciel bleu occupera par exemple 900 KB sur disque au format JPEG alors que l'image d'un sous-bois très feuillu peut dépasser 5 MB.

Taille maximum des agrandissements

L'agrandissement d'une image peut s'éffectuer selon deux méthodes : le tirage photographique et les méthodes d'impression offset et autre quadrichromie. Les deux méthodes sont totalement différentes et là où la première est très rapidement affectée par la pixelisation et le manque de netteté, la seconde peut pour ainsi dire noyer le problème dans l'engraissement et la taille des points de couleurs.

En photographie on s'accorde sur les valeurs suivantes, au-delà desquelles la pixelisation, le manque de détails et de piqué deviennent apparents (à condition d'avoir littéralement le nez sur l'image ou de l'agrandir à 200% sous Photoshop) :

Résolution

300 dpi

200 dpi

3 Mpixels

17.3 x 13.0 cm (A5)

26.0 x 19.5 cm (A4)

6 Mpixels

25.4 x 16.9 cm

38.1 x 25.4 cm

8 Mpixels

29.6 x 19.5 cm (A4)

44.5 x 29.2 cm (A3)

10 Mpixels

32.5 x 21.7 cm

48.8 x 32.6 cm

12 Mpixels

33.9 x 25.4 cm

53.8 x 35.8 cm

16 Mpixels

41.4 x 27.8 cm (A3)

62.2 x 41.4 cm

22 Mpixels

48.5 x 32.5 cm

72.9 x 48.5 cm (A1)

32 Mpixels

58.8 x 39.2 cm

88.3 x 58.8 cm

La formule de conversion utilisée est : Taille (cm) = (2.54 * Nombre de pixels / DPI) / 1000, sachant que 1" =  2.54 cm.

En pratique, plus d'un photographe vous diront qu'ils ont réalisé des agrandissements de 40x50 cm avec 3 Mpixels et du 50x70 ou du 100x70 cm avec 10 Mpixels et même trois plus grands en offset ! Ce sont bien entendu des valeurs limites et les images ont été améliorées sous Photoshop, notamment au niveau de leur netteté. Mais il n'empêche que ces images ont été présentées dans des expositions ou sont vendues à un public qui apprécie les belles photographies artistiques.

Ceci dit, en théorie il faudrait au moins respecter les valeurs minimales de ce tableau : faire la double page du National Geographic en A3 (42x30 cm) à 200 dpi avec une image en haute résolution impose d'utiliser un APN d'au moins 8 Mpixels. Ils représentent aujourd'hui à peine 10% de toute la gamme des APN commercialisés.

Mais nous verrons en dernière page qu'un APN limité à 6 Mpixels comme le Nikon D40 sorti en 2006 n'est pas une erreur marketing à une époque où certains constructeurs ne considèrent qu'une image n'est valable qu'à partir de 12 ou 16 Mpixels.

Qualité des images

La qualité des images numériques n'est pas seulement affectée par le format d'image ou le taux de compression mais par de nombreux autres facteurs parmi lesquels la résolution liée au niveau de détail et la netteté. Si ces deux caractéristiques peuvent générer un même effet de flou, dans leur principe elles dépendent de facteurs différents.

En effet, le flou que présentent certains images indépendamment de la qualité des optiques, de la précision de la mise au point ou de la vitesse d'obturation parmi d'autres critères trouve une explication sur le plan technique. En bref, votre APN peut ou non créer des images nettes ou floues en fonction de l'activation ou non de certains dispositifs hardware ou software. Mieux vaut le savoir et travailler en conséquence ainsi que nous l'expliquerons dans l'article consacré au rôle du filtre anti-aliasing .

Enfin il y a bien sûr la qualité des optiques qui participe à au moins 50% de la qualité des images. On ne peut pas demander à un système autofocus mono faisceau utilisant éventuellement des lentilles en plastique la même qualité d'image que celle d'un APN haut de gamme dix fois plus cher, utilisant un autofocus à 11 faisceaux et des objectifs constitués de plusieurs lentilles ED. Car tel est bien l'éventail que l'on trouve sur le marché, du modèle jettable ou à 20 € destiné aux enfants au modèle destiné aux pros à plus de 4000 €.

Si la majorité du public se contente d'une qualité ordinaire et d'une résolution de 3 ou 6 Mpixels, les photographes exigeants ou professionnels ne seront satisfaits qu'en utilisantdu matériel au top niveau.

L'avenir : HDR où l'avantage de la virgule flottante sur 128 bits

Les formats haute résolution tel que RAW, TIFF, PNG ou même JPEG sont des formats supportant généralement 8 bits/couleur soit 24 bits/pixel en virgule fixe. A condition de disposer de l'écran, de la carte graphique et du logiciel supportant cette définition (c'est le standard actuel), ces formats permettent d'afficher 224 soit plus de 16.7 millions de couleurs ou nuances de gris et quelques dizaines de milliards en format RAW ou TIFF 16 bits/couleur.

Super CCD Fujifilm

Le capteur Super CCD de Fujifilm.

Bien que cette gamme de couleurs paraisse étendue, 24 bits/pixel ou même le double ne suffisent pas pour gérer correctement des dynamiques de luminances très importantes. C'est par exemple le cas de la scène présentée ci-dessous à droite dans laquelle une zone est plongée dans l'ombre et une autre contient des vitraux placés en pleine lumière. Tous les APN actuels vont enregistrer une image identique à celle de gauche mais jamais celle de droite, même après traitement d'image (sauf par truquage et compositage évidement). En fait la dynamique de cette image dépasse largement les capacités des formats graphiques actuels.

Pour élargir la dynamique de l'image et étendre la gamme des couleurs, il a fallut inventer de nouveaux formats d'images.

La première solution consista a développer des solutions logicielles tels que les formats FITS, TIFF et JPEG2000 parmi d'autres. Les plus récents travaillent sur 16 bits (48 bits/pixels) en virgule flottante ce qui permet de gérer des milliards de couleurs.

Parmi les solution hardware, Fujifilm a tenté l'expérience avec son capteur "Super CCD" présenté ci-dessus mais il sacrifie la résolution (perte de 25 à 50%) et l'augmentation de contraste reste modeste malgré ce que dit la publicité.

Mais une innovation est venue balayée toutes ces bonnes intentions. En 1997, le professeur Paul Debevec, chercheur en art graphique à l'ICT Graphic Lab de Californie inventa le format HDR (high-dynamic range) qui semble répondre à toutes les exigences.

Très performant, le HDR présente un seul inconvénient, inhérent à son format : au lieu d'utiliser des images codées sur 24, 32 ou 48 bits/pixel comme aujourd'hui, HDR utilise des configurations hardware de 128 bits/pixel en virgule flottante double précision !

8 bits par couleur

Format HDR

A gauche, une image enregistrée sur 8 bits/couleur soit 24 bits/pixel, à droite au format HDR, sur 128 bits/pixel. A gauche, les hautes lumières ont saturé les pixels tandis que les basses lumières ont à peine été enregistrées; ces informations ont été perdues et l'image n'est pas conforme à la réalité. A l'inverse, l'image de droite au format HDR et traitée dans le logiciel HDRShop supportant ce format a permis de restaurer les détails cachés dans les hautes et les basses lumières car l'information était contenue dans les pixels supplémentaires du format HDR.

Avantage, cette technologie a fait exploser les couleurs : chaque pixel peut afficher 2128 nuances ! La palette de couleur contient plus de 340 milliards de milliards de milliards de milliards de nuances ! On comprend mieux pourquoi il manque des détails dans nos images RAW ou JPEG !

Mais le format HDR a d'énormes conséquences sur les plans hardware et software. En effet, non seulement les images deviennent 3 fois plus volumineuses (de l'ordre de 150 MB par image pour un capteur de 6 Mpixels) mais pour conserver un temps de réponse équivalent à celui d'une image traditionnelle codée sur 24 voire 32 bits/pixel, le processeur a besoin de 4 fois plus de ressources (le processeur graphique doit donc tourner 4 fois plus vite ou utiliser un bus 4 fois plus large !).

En raison du nombre de données à traiter, le format HDR requiert également plus de mémoire vidéo et des cartes graphiques supportant un débit d'information (fillrate) qui se chiffre en dizaine de gigapixels/s, un temps de réaction de l'ordre de la nanoseconde, mille fois supérieur aux performances des cartes graphiques accélératrices classiques. Enfin, les logiciels doivent être réécrits pour supporter 128 bits/pixel sinon les nuances de couleurs seront perdues dans les algorithmes de compression.

Dans le monde informatique, les constructeurs ATI, Nvidia, S3 et autre Radéon ont déjà sorti des cartes graphiques supportant 128 bits/pixel ainsi que quelques fabricants de logiciels dont HDRShop et Adobe (Photoshop CS). Reste aux fabricants d'APN à implémenter le format HDR dans leurs appareils sans pénaliser le temps de réponse ni la taille des appareils. Ils disposent déjà des cartes-mémoires adéquates (voir page suivante), reste à concevoir des capteurs et de nouveaux processeurs d'images, sans oublier les modifications en cascades qui découleront de cette innovation. Les principaux constructeurs en étant encore au stade expérimental, on peut estimer qu'on ne doit pas s'attendre à trouver des APN grand public au format HDR avant 2015. Encore faudra-t-il disposer de l'ordinateur capable d'exploiter ce format.

LE STOCKAGE DES IMAGES

Compact FlashDans un APN, les photographies numériques sont sauvegardées sur une carte-mémoire flash de petite dimension et amovible qui sera ensuite lue par un ordinateur.

Il est intéressant de se pencher quelques instants sur cette technologie afin de mieux comprendre les performances et les limites de ces cartes.

Une carte-mémoire flash est constituée d'un semi-conducteur (solid state), donc d'une pièce d'électronique solide au sens physique, sans pièce mobile. Malgré son aspet anodin, c'est de la très haute technologie faisant appel à des propriétés quantiques (effet tunnel notamment)

Architecture des cartes-mémoires

Sur le plan électronique, la mémoire flash est organisée autour d'un transitor MOS. L'information est stockée sous la forme d'électrons piégés dans ce qu'on appelle une grille flottante. Sa programmation (écriture, effacement) s'effectue par l'application de différentes tensions qui finissent par abîmer le substrat (l'oxyde de grille), ce qui explique qu'elle ne peut-être programmée ou effacée qu'entre cent mille et un million de fois. Sandisk par exemple offre 5 ans de garantie sur ses cartes CompactFlash. En d'autres termes, ils garantissent la fiabilité du support à concurrence de 50 à 500 images/jour durant 5 ans, ce que très peu de photographes réalisent (un photographe très actif réalise jusqu'à 30000 images/an). En cas de problème hardware n'hésitez pas à faire jouer la garantie. Pour prévenir cette éventualité achetez plusieurs cartes-mémoires et alternez-les en gardant à l'esprit qu'elles ont une durée de vie limitée. On y reviendra.

Cette carte est une mémoire EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory), "flash" signifiant que la mémoire est non volatile et réinscriptible : l'information est préservée même en l'absence d'alimentation et peut être effacée comme n'importe quel support magnétique. De part sa construction elle offre une meillleure protection des données que la disquette magnétique.

Chips Intel

Chips Intel servant à fabriquer des cartes-mémoire flash en logique NOR. Document BIOS Magazine.

La carte-mémoire doit être formatée comme un disque dur ou une disquette et supporte généralement les partitions FAT et parfois FAT32. On y reviendra.

Certaines cartes peuvent être verrouillées contre l'écriture, sécurisées par des moyens software (notamment pour les APN Nikon haut de gamme), être encryptées, contenir des codes d'accès, des données privées ou peuvent gérer les droits d'auteur.

Il existe différents types de cartes-mémoires flash. Les formats les plus répandus sont par ordre d'importance le "CompactFlash" (CF, 43x36 mm) et le "Secure Digital" (SD ou SDHC, 32x24 mm) suivi loin derrière par la "Multi Media Card" (MMC, 32x24 mm), la "Smart Media" (MS, 45x37 mm) et la Micro SD ou Transflash (15x11 mm). Ce marché est en constante évolution.

Il existe deux architectures logiques, NOR et NAND. La première permet d'accéder aléatoirement à n'importe quelle cellule ou zone de données de la carte. La fiabilité des données est garantie à 100% par le fabricant. C'est l'architecture la plus utilisée, notamment dans les cartes-mémoires destinées aux APN, aux GSM, aux décodeurs, aux ordinateurs, etc.

L'architecture NAND ne permet qu'un accès séquentiel aux données et présente un certain taux d'erreur qui impose l'utilisation d'un système de correction d'erreur. Cette architecture est surtout utilisée dans les cartes MMC, SD et les Memory Sticks.

Les CompactFlash

Les CF ont été créées par Sandisk en 1994 et offrent une compatibilité totale avec le format PCMCIA-ATA. Ce standard est aujourd'hui ouvert, ce qui a permis sa diffusion dans tous les secteurs de l'industrie allant de l'informatique à la robotique en passant par la vidéo et l'imagerie. Les principaux fabricants d'APN l'ont également adopté comme standard, notamment Canon, Epson, JVC, Kyocera, Kodak, Nikon, Pentax, Pretec, Ricoh, Sony/Minolta, Sanyo et Yashica.

Les CF se divisent en deux modèles : le Type I et le Type II qui se différencient uniquement par leur épaisseur (3.3 et 5 mm). Une CF Type I peut s'installer indifféremment dans un slot de Type I ou de Type II tandis qu'une carte CF de Type II ne peut s'installer que dans un slot de Type II. Leur taux de transfert atteint 3.15 MB/s en écriture et est deux fois plus rapide en lecture.

ScanDisk 512 MB SD Kingston 1 GB

A gauche, installation d'une carte CompactFlash ScanDisk de 512 MB dans un Canon EOS 20D. A droite, installation d'une carte SD Kingston de 1 GB dans un Nikon D80. Certains APN peuvent se verrouiller lorsque la carte-mémoire est absente, d'autres vous préviennent qu'il n'y a pas carte dans l'appareil mais si le volet est fermé ils acceptent de prendre un cliché mais affichent juste après le déclic "enregistrement impossible".

Les CF présentent une capacité théorique maximale (norme 2.0) de 137 GB. Les modèles grand public sont proposés en différentes capacités allant généralement 2 à 512 MB environ. A titre d'information un carte CF de 128 MB coûtait 100 € en 2002. En 2006 on pouvait en trouver à partir de 6 € chez PriceMinister !

Il existe également des cartes de très grande capacité, supérieure à 2 GB, pour les APN à haute résolution. Elles sont formatées en FAT32. Rassurez-vous, depuis quelques années les PC (sous NT et XP) comme les Mac (G3-G5) supportent ce type de partition, de même que UNIX, Linux et SunOS, au même titre que la partition classique FAT.

Le prix d'une carte CF de grande capacité reste élevé bien que relativement meilleur marché que les formats concurrents : si une carte CF de 1 GB peut se vendre 25 € (mais généralement 80 €), comptez environ 270 € pour une Sandisk CF de 8 GB et 700 € pour une 16 GB (sortie en déc 2006), c'est actuellement la carte-mémoire offrant la plus grande capacité.

Attention, ici également il existe des contrefaçons. Une carte-mémoire neuve est toujours livrée dans un emballage d'origine scellé, elle ne présente aucune empreinte digitale et porte un numéro de série soit sur l'étiquette (Kingston) soit sur le profil (Sandisk). Si l'emballage a été ouvert et si la carte ne présente pas ces caractéristiques, exigez un échange standard du fournisseur.

Les cartes SD

Les cartes-mémoires SD (Secure Digital) ont la même dimension que les cartes MMC (32x24 mm) et sont compatibles avec celles-ci. Elles offrent l'avantage de supporter l'encryption (codage des données). Ici également il existe une version haute capacité, la carte SDHC qui peut atteindre 8 GB. Il existe enfin une version "micro SD" encore plus petite qu'on utilise dans les GSM.

Les microdrives

Les microdrives sont des CF de Type II mais disposant d'un disque dur magnétique. Ils sont donc également acceptés par les APN et sont lisibles dans un lecteur externe CompactFlash II. Ils présentent des capacités pouvant aller jusqu'à 4 GB. IBM et Hitachi vendent des cartes microdrives de 1 GB à 150 € et de 4 GB à 350 €. Elles sont toutefois plus lentes que les CF qui ne sont déjà pas très rapides comparées à un disque dur conventionnel. Comme les disques durs, les microdrives ont le défaut de devenir très chauds en cours d'utilisation.

A consulter : Interfaces et accessoires Firewire, Amazon

Carte-mémoire

Carte-mémoire

Carte-mémoire

Les deux cartes-mémoires utilisées par les APN : à gauche la carte SD, au centre la CompactFlash. Ne vous fiez pas à leur petite taille physique pour estimer leur prix mais à leur capacité ! SanDisk fabrique des produits de qualité mais les performances de ses cartes CF sont très en-dessous de la moyenne. A droite, le disque dur portable USB Giga one de Jobo. Aujourd'hui toutes ces interfaces et bien d'autres sont disponibles sur les ordinateurs, soit intégrées à la carte-mère soit sur une carte, y compris sous forme de cartes multistandards USB/Firewire par exemple.

La plupart des APN supportent les CF de Type I et Type II, y compris les microdrives, offrant une capacité maximale de 2 GB. Résolution oblige, seuls les APN assez sophistiqués et très récents supportent les cartes de plus de 2 GB.

Notons que généralement l'APN se met automatiquement hors tension si le volet de la carte-mémoire (ou de la batterie) est ouvert. S'il y a pas de carte mémoire dans l'appareil, certains modèles acceptent malgré tout de prendre des photographies mais vous signalent sur le moniteur qu'il n'y a pas de carte installée.

On comprendra facilement qu'en fonction de la résolution de vos images, vous ne pourrez en sauvegarder qu'un certain nombre sur chaque carte-mémoire, variant de quelques dizaines à quelques centaines selon leur capacité. Il est donc prudent d'acheter des cartes-mémoires supplémentaires et de grandes capacités (mais supportées par votre APN) ou de disposer d'un disque dur portable tel le Giga One de Jobo ou un Memory Stick sur lequel vous pourrez les décharger pour vider ensuite le contenu de la carte pour y sauver de nouvelles images. Cette situation se pose souvent en vacance en des lieux isolés où l'amateur ne dispose d'aucun moyen technique et doit donc se débrouiller seul.

Transfert des données

Etant donné la taille imposante des images en haute résolution, il est important que l'APN supporte un taux de transfert élevé (en écriture) et d'utiliser des cartes-mémoires également rapides au risque de pénaliser la vitesse des prises de vues, notamment à cadences élevées, de même que le temps de téléchargement sur ordinateur.

Concernant l'APN, jusqu'à 4 Mpixels le taux de transfert n'est pas très important et peut se limiter à 0.2-1 MB/s. Pour ne pas pénaliser le système, à 5 ou 6 Mpixels on préconise un taux de transfert d'environ 7.5 MB/sec et supérieur à 12 MB/s à partir de 8 Mpixels. Au-delà de 10 Mpixels il est impératif d'utiliser les systèmes les plus rapides.

Carte-mémoire

Un microdrive de grande capacité au format CF II. Ce format est également supporté par les APN.

Le transfert des images vers l'ordinateur est assuré soit directement par une liaison USB 2.0 à haut débit, Firewire ou même série, un cable reliant l'APN à l'ordinateur, soit en utilisant un lecteur de carte externe également relié à l'ordinateur par une liaison USB, Firewire, IDE, PCMCIA ou encore un bridge Firewire-IDE. Dans ce cas, le lecteur de carte est vu par le système comme étant un disque amovible et vous pouvez le manipuler comme n'importe quel lecteur.

Généralement les photographes retirent la carte-mémoire de leur APN et la place dans un lecteur externe USB ou mieux, Firewire où le taux de transfert sera optimisé et à partir duquel il sera plus facile de manipuler les fichiers. Il n'est pas nécessaire de reformater la carte-mémoire ensuite. Vous pouvez simplement supprimer les fichiers et les répertoires inutiles.

Dans un magasin de photographie, la copie de vos images vers une station de développement (borne Kodak, minilab ou tireuse) s'effectue directement via un lecteur de carte-mémoire multistandard. Certains appareils récents disposent également d'une connexion sans fil Bluetooth ou WiFi. Quant aux imprimantes, les plus récentes acceptent directement les cartes-mémoires dans un slot spécifique, un menu vous permettant de les imprimer sans passer par un ordinateur.

Le taux de transfert varie selon l'interface. En théorie, les spécifications constructeurs sont les suivantes :

Taux de transfert théoriques des principales interfaces

Firewire 800 (IEEE 1394b) :
Firewire 400 (IEEE 1394)
:
PCMCIA-ATA (CF)
:

100 MB/s

12.5 à 50 MB/s

132 MB/s

PCI :

USB 2.0 :
USB 1.0
:

132 MB/s

60 MB/s

1.5 MB/s

NB. Les constructeurs préfèrent les grands nombres et les unités standards. Ils parlent donc en mégabits par seconde (Mbps). Qu'à cela ne tienne, on multiple par 8. Ainsi le bus PCMCIA transfert à 132 MB/s soit 1056 Mbps, en théorie.

Mais oubliez immédiatement ces chiffres théoriques de taux de transfert, ils sont généralement 10 à... 100 fois supérieurs aux taux réels ! Ainsi, le bus Firewire IEEE 1394 dont on s'attend à ce qu'il transfert les images à un taux de 50 MB/s (400 Mbps) plafonne en pratique entre 0.5 et 4.2 MB/s selon le périphérique, à peine mieux qu'une carte CF ! Celui qui vous dit qu'il obtient un taux de transfert de 40 MB/s, regardez-le bien de travers car il n'a jamais fait l'essai et se base uniquement sur des lectures théoriques, ce à quoi les constructeurs essayent aussi de nous faire croire ! Malheureusement une interface n'est jamais isolée de son périphérique, de son support ou de son logiciel de gestion et il faut bien tenir compte de cette réalité.

Carte-mémoire

Le lecteur Firewire externe MDCF-FW d'Unity Digital supportant les deux types de cartes CF. L'ordinateur doit disposer d'une interface Firewire IEEE 1394. Le lecteur est vu par le système d'exploitation comme un disque externe. Document T.Lombry.

Le port USB 2.0 soi-disant très rapide est finalement celui qui est le plus lent. Quand vous aurez 100 images de 5 MB à transférer de votre APN vers votre ordinateur, vous laisserez vite tomber le port USB ! Installé dans un lecteur externe, il transfert une image binaire à raison de 0.5 à 2.1 MB/s (1.4 MB/s pour transférer 170 MB depuis un lecteur CF) et plafonne à 2.6 MB/s lorsqu'il est installé dans un APN. C'est très lent comparé au taux de transfert réels des cartes Firewire (3.1-4.2 MB/s) et PCMCIA (1.2-4.5 MB/s). Ces valeurs dépendent toutefois de l'APN, de la carte et de son fabricant et vous pouvez trouver des modèles a priori équivalents mais affichant des valeurs très disparates, d'où l'intérêt des comparatifs. Consultez ce compararif des lecteurs externes Firewire ainsi que celui-ci de DPReview consacré à l'Unity Digital MDCF-FW présenté à gauche.

Quel est le lecteur externe actuellement le plus rapide ? Il existe deux lecteurs, tous deux disposant de l'interface Firewire 400. Le premier est le lecteur CompactFlash MDCF-FW d'Unity Digital (149$) dont le taux de transfert varie entre 2.3 et 2.8 MB/s selon la marque de la carte. Il est toutefois difficile à trouver sur le marché européen. Le second modèle est le lecteur CF Digital Film Reader de Lexar (35 €) pour lequel l'équipe de PC Magazine a mesuré un taux de transfert de 2.8 MB/s pour un fichier de 170 MB. Dans les deux cas, c'est deux fois plus rapide qu'une interface USB 2.0, alors qu'en théorie cette dernière devrait être plus rapide ! Notons que la vitesse de transfert augmente avec la taille du fichier, jusqu'à atteindre 5 MB/s. Ca ce sont des valeurs réelles qui n'ont rien à voir avec les chiffres annoncés par les constructeurs !

Dans un lecteur de carte externe, il faut également tenir compte du temps d'accès aux données et du constructeur de la carte. Une carte CF installée dans un lecteur Firewire 400 externe (donc rapide) présente en moyenne un temps d'accès de 1.5 ms. Or les cartes Sandisk de 128 ou 512 MB qui sont de très bonne qualité dépassent les 30 ms, elles sont 15 fois plus lentes ! Cela se confirme dans ses temps de lecture deux fois plus lents et ses temps d'écriture quatre fois plus lents en moyenne que les marques concurrentes ainsi que le montrent ces tests réalisés par Digit-Life. La qualité d'un produit ou la durée de sa garantie ne signifie donc pas qu'il est performant.

Quelle marque de CF faut-il choisir ? Kingston présente de bonnes performances pour un prix compétitif et une excellente garantie. Voyez également ce comparatif concernant les CF, MMC et SD. Ici encore les cartes CF sont les plus rapides et méritent votre attention d'autant que ce marché est en constante évolution contrairement à celui des SD ou MMC qui se développe beaucoup plus lentement.

Suite de l'article : Photographie numérique (III) - L'objectif : grand-angle, zoom et télé - Les mesures de lumière et les corrections d'exposition - Le flash et la batterie

En savoir plus sur cet article

Pour une lecture plus confortable, l'ensemble de cet article a été découpé sur cours-photophiles en quatre articles distincts dont vous trouverez le détail ci-dessous.

Photographie numérique (I) : Avant-Propos - Fonctionnement d'un APN
Photographie numérique (II) - Le capteur photosensible - Les formats d'images - Le stockage des images
Photographie numérique (III) - L'objectif : grand-angle, zoom et télé - Les mesures de lumière et les corrections d'exposition - Le flash et la batterie
Photographie numérique (IV) - Inconvénients des APN et précautions à prendre - En résumé

Vous pouvez aussi retrouver l'intégralité de cet article sur le site de son auteur Thierry Lombry : http://astrosurf.com/luxorion/photo-numerique.htm

Cet article ne peut être reproduit sans l'autorisation de son auteur Thierry Lombry. Pour toute demande d'utilisation de ses textes ou images contactez le sur http://astrosurf.com/luxorion/index.htm . Visitez aussi la FAQ droit d'auteur de son site.

En savoir plus sur l'auteur de ce cours

Photophiles remercie Thierry Lombry, auteur de cet article Photographie numérique (I à IV). Thierry Lombry est webmaster du site http://astrosurf.com/luxorion/index.htm  sur lequel vous trouverez de nombreux autres documents sur la photographie et l'astrophotographie entre autres. Son parcours atypique et de passionné éclectique est résumé sur sa page biographie http://astrosurf.com/luxorion/biographie.htm

 

Mise à jour le Lundi, 30 Juin 2014 13:31
 
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