La photo numérique : du capteur à l'image - 04/02/2008

En quelques années la photographie numérique a bouleversé les habitudes du public comme des professionnels. On le doit aux progrès très rapides des capteurs qui forment le coeur de ces appareils. Ce dossier s'intéressera donc particulièrement à ceux-ci en suivant le cheminement de la formation de l'image. Il montrera les avantages et les limites de la technique numérique en photographie et aidera à décrypter la véritable signification des annonces faites par les fabricants sur les performances de leurs appareils.

Il n'y a pas si longtemps aucune alternative sérieuse à l'émulsion aux sels d'argent n'existait pour la photographie. On s'était d'ailleurs inquiété dans le passé d'une possible raréfaction des ressources en argent et on raconte même que certains maharadjahs, sans doute en proie à des difficultés financières (tout est relatif), auraient revendu au poids du métal de précieux objets d'art en argent à des fabricants de films. Puis on s'est mis à récupérer l'argent présent dans les bains de développement et le spectre de la pénurie s'est éloigné.

Les techniques des images d'hier

Mais à côté de qualités indéniables et provisoirement insurpassables, la photo argentique présente un gros défaut : il faut avoir pris tous les clichés d'un film avant de le faire développer et c'est ainsi que certains ne voyaient les dernières images de leurs vacances d'été qu'après avoir terminé leur film à Noël ! Or en quelques années la photographie numérique s'est répandue à une vitesse stupéfiante à telle enseigne que l'acronyme APN, pour Appareil Photographique Numérique, s'est banalisé.

Les techniques d'aujourd'hui

Les utilisateurs tirent souvent leurs images eux-mêmes sur des imprimantes de très bonne qualité devenues abordables, même si en réalité cela revient nettement plus cher que de faire agrandir ses photos par un photographe, ou par un des multiples services qui se sont généralisés. Mieux encore, l'arrivée récente de « cadres numériques »  permet d'afficher des images fixes ou des diaporamas sur des écrans LCD qui ne déparent pas dans un salon. Du côté des professionnels c'est aussi une révolution : par exemple les photographes de presse peuvent maintenant envoyer immédiatement leurs clichés depuis l'autre bout du monde par internet.

Avant tout autre chose il convient de définir brièvement trois catégories d'appareils numériques.

1 - La catégorie de loin la plus vendue est celle des compacts, appareils grand public par excellence. On y trouve le meilleur et le pire en terme de qualité des objectifs ou de qualité de l'image électronique. On appelle généralement « bijoux » les compacts extra-plats qui peuvent se glisser sans problème dans la poche.

Un exemple de compact bijou, objectif sorti
Remarquer la faible épaisseur de l'appareil - Avec l'objectif rentré il est extra-plat © : Pentax

Ce type d'appareil dérive des appareils argentiques du même type sauf que la technologie numérique a permis d'en réduire encore la taille puisqu'on n'est plus contraint par la nécessité de loger dans le boîtier une cartouche de film de format 35 mm. Nous verrons aussi qu'il a été possible d'utiliser des objectifs plus compacts. Ces appareils sont dotés au dos d'un écran LCD qui sert de viseur et qui permet également de visionner les photographies déjà prises. Ils peuvent en outre être dotés ou non d'un viseur optique plus classique. Ils comportent un obturateur « central » incorporé dans l'objectif. Mais contrairement aux compacts argentiques, cet obturateur reste constamment ouvert afin de permettre de visualiser l'image visée en continu sur l'écran LCD. Il n'intervient brièvement qu'au moment de l'exposition proprement dite.

2 - Autre type dérivé de la photographie traditionnelle, le reflex. Fondamentalement c'est un boîtier sur lequel on peut fixer un large éventail d'objectifs couvrant les besoins (et aussi les budgets) les plus variés. L'image formée par l'objectif est interceptée par un miroir incliné à 45° qui la projette sur un verre dépoli horizontal situé en haut de la chambre d'exposition. Ce verre dépoli est surmonté par un pentaprisme (ou un pentamiroir dans certains modèles d'entrée de gamme) qui renvoie l'image vers l'oeil après l'avoir redressée. Le dépoli est vu à travers une optique qui joue le rôle d'une loupe pour agrandir l'image.

L'ensemble verre dépoli, pentaprisme et optique forme le viseur. Par convention, pour un reflex 24x36 on dit que le viseur a un rapport d'agrandissement de 1 si l'image formée par un objectif de 50 mm de focale a la même dimension angulaire que la scène vue avec l'oeil. En effet on considère que pour ce format une focale de 50 mm fournit un rendu de la perspective proche de celui de l'oeil. En raison de la taille réduite de la plupart des capteurs numériques il est très difficile d'atteindre ce rapport de 1 sur les reflex numériques. Au moment de la prise de vue le miroir s'escamote vers le haut pour que l'image se forme sur la surface sensible (film pour les modèles argentiques, capteur pour les modèles numériques) puis revient à sa position initiale.

Dans un reflex l'écran LCD ne sert pas de viseur mais est utilisé uniquement pour la visualisation a posteriori des images prises. Toutefois 2007 voit apparaître quelques rares reflex pouvant afficher également l'image en temps réel sur l'écran LCD. En raison de la technologie propre à ce type d'appareil ce mode subit diverses contraintes qui font que son utilisation n'est à recommander que dans quelques cas particuliers où la visée classique serait inconfortable ou impossible (par exemple pour éviter de s'allonger par terre en prenant une petite fleur en macrophotographie, ou lorsqu'il est nécessaire de tendre l'appareil à bout de bras pour avoir un angle de prise de vue favorable).

L'obturateur est de type plan-focal, anciennement appelé obturateur à rideau. Dans sa forme initiale il était en effet formé de deux rideaux de tissu opaque. Prenons l'exemple d'un temps de pose de 1/60ème de seconde. Le premier rideau, tendu devant le film, démasque celui-ci lors de l'appui sur le déclencheur en se déplaçant horizontalement à grande vitesse. Puis  1/60ème de seconde plus tard le deuxième rideau démarre pour masquer à son tour le film. Bien entendu pour des temps de pose nettement plus courts le deuxième rideau démarre avant que le premier ait fini son déplacement de telle sorte que la surface sensible est balayée par une fente d'autant plus étroite que le temps de pose est plus bref. Lors du réarmement de l'obturateur les deux rideaux sont ramenés simultanément à leur position initiale, sans laisser passer la lumière.

Diverses évolutions ont amélioré ce mécanisme de base, en y substituant un mouvement vertical (plus rapide puisque devant balayer une largeur moindre) et en remplaçant les anciens rideaux de tissu opaque par des volets métalliques ou plastiques très légers. Il est actuellement possible d'atteindre couramment le 1/4000ème de seconde, voire le 1/8000ème sur certains appareils. Une restriction de ce type d'obturateur est qu'il n'est possible d'utiliser le flash que pour les vitesses où la totalité de la surface sensible est découverte car l'éclair d'un flash est extrêmement bref. Avec les anciens obturateurs la vitesse d'obturation ne pouvait pas dépasser 1/60ème de seconde. Avec les modèles actuels cette vitesse (appelée vitesse de synchro-flash ou synchro-X) varie de 1/125ème à 1/250ème de seconde. Plus cette vitesse est brève, plus l'obturateur est performant.

En raison de la complexité du mécanisme permettant un fonctionnement synchrone des deux rideaux ainsi que de celui permettant l'escamotage rapide du miroir, les reflex sont des merveilles de mécanique.

Il faut signaler que les boîtiers d'entrée ou de milieu de gamme sont généralement vendus déjà équipés avec un zoom « passe-partout » de qualité assez moyenne (même pour des marques réputées), voire médiocre, afin d'afficher un prix acceptable. Il vaut beaucoup mieux acheter séparément le boîtier et l'objectif, quitte à prendre un boîtier plus modeste et un bon objectif. Mais on comprend là que ce type de matériel est à réserver aux amateurs avertis capables de trouver et comprendre les informations techniques indispensables pour faire ce choix.

3 - Troisième type d'appareil, les bridges, nommés ainsi parce qu'ils font le pont entre les compacts et les reflex. C'est une catégorie intermédiaire sur le plan de la qualité de l'optique, de la résolution et des possibilités de réglages. Leur boîtier est plus encombrant que celui des compacts et leur taille se rapproche de celle des reflex.

Leur objectif est lui aussi plus encombrant, ce qui est nécessaire pour offrir une bonne qualité optique et une bonne luminosité. Il s'agit généralement d'un zoom de forte amplitude (facteur de zoom de l'ordre de 1 à 10, contrairement aux compacts où il est habituellement de l'ordre de 1 à 3). Cet objectif n'est pas interchangeable contrairement à celui des reflex.

Un exemple de bridge : Olympus SP-550
Remarquez les dimensions de l'objectif, comparé à celui d'un compact

Comme les compacts, les bridges sont dotés de l'affichage en temps réel de l'image sur un écran LCD situé au dos de l'appareil, dispositif apprécié par les amateurs. Dans certains modèles l'écran peut même être orientable.

Le choix d'un bridge ne garantit pas forcément une meilleure qualité d'image qu'un compact. Certains modèles ont même des résultats plus médiocres que ceux d'un bon compact. Mais si l'on prend la peine de lire des critiques impartiales qu'on peut trouver dans des revues ou des sites web spécialisés, ou encore dans les dossiers établis par certains grands revendeurs, il est possible d'acquérir un appareil de qualité. Ce type de modèle est donc à conseiller à tous ceux qui veulent faire plus que ce que peut offrir un compact, sans affronter la complexité... et le prix d'un reflex.

Notons aussi que la plupart des modèles de compacts et de bridges permettent de faire de courtes vidéos, contrairement aux reflex. 

Il faut signaler qu'un défaut classique dans les appareils numériques (sauf les reflex) est le délai non négligeable séparant l'appui sur le déclencheur de la prise de la photo. Pour les sujets en mouvement (par exemple les enfants photographiés à l'improviste) cet inconvénient peut conduire à des résultats catastrophiques. Cela peut constituer un critère permettant de départager deux appareils, d'autant qu'il est facile à contrôler.

On peut faire un parallèle entre l'évolution des caméscopes et celle des appareils de photographie numériques. En effet il est évident que les deux types d'appareils ont en commun le même type de capteur photosensible pour former l'image. Toutefois les contraintes techniques étant assez différentes leur évolution n'a pas suivi au départ la même voie. Les caméscopes ont rencontré un succès populaire bien plus précoce que les APN bien que les premiers appareils de ces deux catégorie soient apparus durant la même période. Dans les deux cas le pionnier a été Sony (1).

En effet l'image télévisée a une résolution très inférieure à celle qu'il est nécessaire d'atteindre pour avoir une bonne photographie. La résolution verticale est de 625 lignes (dans le standard européen) mais les magnétoscopes VHS ont une bande passante telle que la résolution effective est inférieure à 300 lignes. L'oeil tolère en effet  bien plus facilement une résolution limitée pour une image en mouvement que pour une image fixe. Pour cette raison il est plus facile de produire de bons capteurs pour les caméscopes que pour les appareils de photographie.

Une autre contrainte dérivait de la technologie analogique de la télévision (et par conséquent des magnétoscopes). Pendant longtemps les caméscopes ont donc enregistré des images dans un format analogique. Au contraire les appareils de photographie ont dû choisir d'emblée l'option numérique afin de permettre un format d'enregistrement facilement utilisable.

Le premier caméscope a été commercialisé en 1983 par Sony sous le nom de Betamovie (au défunt format Betamax). Puis en 1985 apparaît le premier caméscope VHS, créé par JVC. Sony, en association avec divers autres constructeurs, réplique en introduisant la même année le support d'enregistrement vidéo 8 reposant sur une cassette bien moins encombrante contenant une bande de 8 mm de large. En contrepartie ces cassette ne pouvant pas être lues dans un magnétoscope de salon, c'est le caméscope qui doit se brancher sur le téléviseur. Ces formats ont subi ensuite diverses évolutions (le vidéo 8 évoluant en HI-8 et le VHS en VHS-C),  mais il faut attendre 1996 pour que Sony commercialise le premier caméscope numérique amateur. Il utilisait comme support la même cassette que le HI-8.

Le premier appareil photographique numérique semble avoir été commercialisé en 1981. Il s'agissait du Mavica de Sony, reflex doté de 279.300 pixels et enregistrant 50 images sur une mini-disquette. Il coûtait 650$ et son lecteur de disquette, 220$. Il a été utilisé par des photographes de presse pour les jeux olympiques de Los Angeles.

© : Sony

Il faut attendre 1990 pour que Kodak sorte les premiers appareils à vocation professionnelle. Logitech se lance dans l'aventure en 1992 suivi par Apple en 1994. La résolution, encore médiocre, est de l'ordre de 0,3 mégapixels. Le premier dos à affichage LCD semble avoir équipé un modèle de Casio en 1995. On voit donc que la photographie numérique à destination du public a débuté plus tardivement que les caméscopes. Pour mémoire le format d'image JPEG a été officiellement défini en 1991 et sa norme définitivement adoptée en 1992

Ce n'est qu'à partir de 1999 que des résolutions supérieures à 1 mégapixel commencent à se répandre. Toute la période de début est dominée par des appareils de type compact, à destination du grand public, en raison de la résolution limitée de l'image numérique qui ne permettait pas de forts agrandissements. Ces appareils restent actuellement les plus vendus en raison de leur faible encombrement et de la facilité quasi ludique de leur utilisation.

Mais en 2003 Canon commercialise le premier reflex à destination du public, l'EOS 300D doté de 6,3 millions de pixels.

Le premier reflex numérique © : Canon

Actuellement (2007) diverses marques bien connues se sont emparé du marché des reflex. Leur résolution est de l'ordre de 10 mégapixels mais peut monter jusqu'à 16 mégapixels pour des modèles particulièrement onéreux, tandis que les compacts ont en général une résolution comprise entre 5 et 7 mégapixels.

Il est évident que l'élément le plus important de tous ces appareils est le capteur. La connaissance de ses caractéristiques permet de comprendre ses limites, et par conséquent quelques pièges à éviter. Toutefois ce capteur ne serait rien sans le processeur qui permet de transformer les signaux électriques en image visible sur l'écran et pouvant être tirée sur papier. C'est donc essentiellement au capteur et à la formation de l'image que ce dossier sera consacré.

Les capteurs se différencient par leur taille, la technologie utilisée et, bien entendu le nombre de pixels constituant l'image.

(1) - Il est impossible de parler de photographie numérique sans citer des marques. Ceci n'implique ni publicité, ni a contrario critique, pour ces entreprises.

La taille peut s'exprimer par la valeur en pouces (ou plus exactement en fraction de pouce) ou par les valeurs largeur/hauteur en millimètres, ce qui est plus parlant. En effet la valeur en pouce est censée être une valeur de la diagonale, mais cette valeur repose sur une ancienne convention et ne correspond pas à la diagonale réelle du capteur. De plus il est difficile de trouver deux tableaux donnant exactement la même correspondance entre la valeur en pouce et les dimensions en millimètres !

Actuellement la plupart des compacts ont un capteur de 1/2,5'' (1/2,5 pouce) soit une diagonale réelle de 1 cm approximativement. Le rapport largeur/hauteur étant 4/3 comme pour la plupart des écrans d'ordinateur, cela correspond selon une des sources consultées (il fallait bien faire un choix) à une dimension de 5,1x3,8 millimètres. Mais cela peut aller jusqu'à 1/1,8'' (7,5x5,3 mm). Il est évident qu'un capteur de 1/1,8'', étant plus grand qu'un capteur de 1/2,5'' on peut s'attendre à une meilleure qualité d'image... du moins pour des appareils de même génération.

Les bridges sont des appareils très hétérogènes par la taille des capteurs. Elle va de 1/2,5'' à 4/3'', quelques rares appareils ayant même un capteur comparable à celui des reflex.

La taille standard des capteurs de reflex correspond approximativement au format APS-C soit 23,4x15,7 mm, ce qui donne un rapport largeur/hauteur de 3/2 identique à celui du format 24x36. Quelques très rares appareils particulièrement coûteux ont même un capteur de format pratiquement égal à 24x36.

Capteur au format APS-C © : Sony

Bien que la taille du capteur soit un critère très important elle est rarement donnée dans les fiches de présentation des appareils grand public, les arguments commerciaux portant essentiellement sur le nombre de pixels qui s'énonce en millions, ce qui est beaucoup plus spectaculaire. Or nous allons voir que cet argument est en partie fallacieux.

La taille réduite de la quasi totalité des capteurs permet d'utiliser des objectifs de courte focale et d'obtenir ainsi des appareils compacts peu encombrants. Par exemple avec un capteur de 1/2,5'' un objectif de 7,4 mm de focale est équivalent à un 50 mm en 24x36 (la focale de 50 mm est classiquement considérée comme donnant un rendu approximativement comparable à l'oeil humain dans ce format). 

Les objectifs des bridges et des reflex sont plus encombrants en fonction de deux critères : la taille du capteur et surtout une meilleure qualité de l'image ainsi qu'un zoom nettement plus puissant (en particulier un objectif lumineux doit avoir un diamètre de lentille important et un bon zoom est toujours encombrant).

Les reflex ayant un capteur APS-C (ou un format proche) peuvent être utilisés avec des objectifs classiques pour 24x36. Mais comme ils n'exploitent que la partie centrale de l'image il faut leur appliquer un facteur de correction de l'ordre de 1,5 à 1,6 (2), ce qui signifie qu'un objectif de 50 mm de focale est approximativement équivalent, pour le champ reproduit, à un 75 mm sur un 24x36. L'avantage de ne pas prendre les bords de l'image est d'éliminer ces zones moins bien corrigées. En effet la netteté des objectifs tend à être moins bonne en bordure et on observe souvent du vignetage (les bords de l'image sont plus sombre, en particulier dans les coins) avec de fortes ouvertures de diaphragme et en grand angle. Par contre l'image devant être plus fortement agrandie au tirage qu'un cliché 24x36 en raison de la taille du capteur, un objectif moyen mais très acceptable en 24x36 pourra montrer ses limites sur un appareil numérique.

On a donc développé des séries d'objectifs spécialement adaptés aux reflex numériques utilisant un capteur APS-C. Ces objectifs sont moins encombrants que leurs homologues pour le format 24x36 (un zoom 18-85 mm est à peu près équivalent à un 28-135 mm pour le format 24x36). En outre, s'ils sont bien étudiés, ils sont corrigés contre les risques de réflexion qui peuvent se produire entre le capteur et la lentille arrière, problème qu'on a beaucoup moins avec le film. Bien entendu on ne peut pas les employer avec un appareil argentique ou avec un capteur 24x36 car ils projettent une image de diamètre trop réduit.

Quelques appareils sont équipés d'un capteur dont la taille est approximativement de 29x19, parfois appelé APS-H qui conduit à un facteur de conversion de l'ordre de 1,3. Il faut ajouter, pour conclure cette rubrique, que le prix des appareils croît de façon spectaculaire avec la taille des capteurs. Au coût du capteur lui-même s'ajoute en effet celui des autres options car on entre dans la catégorie des appareils à vocation professionnelle.

Divers formats de capteurs de reflex (en bas, format APS-C ; au milieu APS-H)
© Canon

(2) La taille utile d'un capteur varie légèrement d'un fabricant et même d'un modèle à l'autre. Ceci explique que selon les appareils le rapport est de l'ordre de 1,5 à 1,6.

Ce nombre va avoir un impact direct sur la résolution de l'image, c'est-à-dire sur les plus fins détails observables, donc sur la taille maximum des agrandissements qu'il sera possible de faire. La densité minimum des points imprimés pour obtenir une bonne image (ce qui reste inférieur à la qualité des agrandissements d'images argentiques sur papier photographique) est de 300 dpi (dots per inch c'est-à-dire points par pouce) en admettant qu'un point imprimé est égal à un pixel.

Voici ce que cela donne approximativement pour quelques formats classiques :

10x15 cm = 2,10 millions de pixels
13x18 cm = 3 millions 264 pixels
18x24 cm = 6 millions de pixels
20x30 cm = 9,5 millions de pixels

Pour comparaison un affichage sur un écran LCD de 17'' (34x27,5 cm) n'utilise que 1,310 millions de pixels !

Ceci donne une bonne idée de la taille maximum des agrandissements qu'il est possible d'obtenir en fonction de la résolution du capteur. On voit donc qu'il n'est pas possible actuellement d'accéder (du moins avec une qualité équivalente) aux grandes tailles d'agrandissement que permet une bonne photo argentique, mais le numérique couvre largement les besoins des amateurs courants, de la quasi totalité des amateurs éclairés et des professionnels. Il faut aussi savoir qu'il existe des dos numériques avec des capteurs de grande taille adaptables sur des moyens formats (genre Hasselblad ou Mamiya), voire sur des chambres photographiques de studio, mais ces accessoires coûtent une véritable fortune, sont d'utilisation complexe et nombre d'entre eux ne peuvent fonctionner que reliés à un ordinateur. Il n'en sera pas question ici.

En réalité nous allons découvrir que ce nombre de pixels est une valeur fictive ce qui relativise un peu les calculs précédents.

Les capteurs les plus connus sont les CCD (Charge coupled device). C'est le type le plus utilisé, qui a trouvé sa consécration dans la photographie astronomique par exemple.

Il existe aussi des capteurs CMOS (complementary metal oxide semi-conductor). Ces derniers sont plus complexes mais paradoxalement ils reviennent moins cher à la fabrication car ils utilisent les techniques les plus classiques de la micro-électronique. Ces deux types de capteurs sont classiquement couverts d'un quadrillage d'éléments sensibles constitué de photodiodes, les photosites.

Traditionnellement les capteurs CMOS étaient considérés de moins bonne qualité en ce qui concerne la sensibilité (à surface égale un photosite CMOS est à peu près dix fois moins sensible qu'un photosite CCD), la linéarité de la réponse ou le bruit (3), ce qui les cantonnait à des usages bon marché. Toutefois Canon a démontré que ses capteurs CMOS supportent largement la comparaison avec les capteurs CCD (souvent fournis par Sony, d'ailleurs) des autres fabricants. En effet la sensibilité globale d'un capteur dépend de multiples facteurs qui peuvent être optimisés.

Vue au microscope électronique à balayage d'un capteur CMOS
© : Semiconductor

Comme les photosites ne peuvent pas être strictement contigus pour des raisons techniques (il faut laisser la place pour les circuits récupérant le signal) chacun d'eux est chapeauté par une lentille microscopique qui recueille la lumière sur toute la surface disponible et la concentre sur le photosite. Ce quadrillage est à son tour recouvert par une matrice de micro-filtres colorées à raison d'un micro-filtre par photosite. Ce quadrillage filtrant est appelé filtre de Bayer du nom de son inventeur, ingénieur chez Kodak. À chaque photosite est associé un filtres rouge, vert ou bleu. Et pour s'approcher au mieux la sensibilité de l'oeil il y a un filtre rouge, deux filtres verts et un filtre bleu.

Filtre de Bayer

Devant le capteur est disposé un filtre passe-bas (parfois appelé filtre anti-aliasing). C'est une lame transparente dont la structure est conçue pour ne pas laisser passer des détails approximativement inférieurs à la taille des photosites. Imaginons en effet un point blanc de taille égale ou inférieure à un seul photosite : il pourra tomber au hasard sur un photosite rouge, vert ou bleu et ne pourra en aucun cas être interprété par l'appareil comme un point blanc. Imaginons maintenant une ligne blanche fine et plus ou moins oblique : certaines zones de la ligne vont coïncider avec des photosites d'une couleur, d'autres avec ceux d'autres couleurs. Cette ligne blanche pourrait donc être vue comme une ligne avec une succession de franges de couleurs. De plus si ces détails de petite taille sont disposés de manière périodique, ils peuvent entraîner un effet de moiré (c'est la raison pour laquelle les présentateurs de télévision ne portent pas de costumes à rayure). Le rôle du filtre passe-bas est d'étaler légèrement l'image de ces petits détails pour qu'elle couvre plusieurs photosites afin que leur couleur puisse être interprétée correctement. Bien entendu ce filtre entraîne une légère baisse de la définition, mais il est indispensable et le léger flou introduit est ensuite corrigé par le traitement numérique de l'image.

Enfin les photosites étant assez sensibles aux infra-rouges, un filtre arrêtant les infra-rouges devra flanquer le filtre passe-bas, à moins que ces deux fonctions soient rassemblées sur le même filtre. Si les infra-rouges arrivaient sur les photosites ils les impressionneraient et provoqueraient une dérive des couleurs notable. En effet selon leur longueur d'onde ils peuvent être détectés soit par les photosites rouges, soit par les photosites verts, les filtres de Bayer étant peu sélectifs à ces longueurs d'onde. En outre ils apporteraient du flou à l'image parce qu'ils ne sont pas focalisés exactement dans le même plan que la lumière visible. Les essais montrent que les appareils datant de quelques années laissent passer une petite quantité d'infra-rouges. Il est même possible, en utilisant des temps de pose longs, de faire avec eux des photographies dans l'infra-rouge en mettant un filtre adapté sur l'objectif.  Les appareils récents ont un filtre nettement plus efficace.

Dans cette technologie on considère que 1 photosite = 1 pixel. Ceci est très différent de la convention utilisée par les écrans où un pixel est constitué de trois « pastilles » : une rouge, une verte et une bleue. Chaque « pixel » du capteur ainsi défini ne contient donc l'information que pour une seule couleur primaire. Le processeur de l'appareil calcule les valeurs des deux autres couleurs par interpolation avec les valeurs des pixels voisins. Ce n'est guère un inconvénient pour les zones, qui sont les plus fréquentes, où les couleurs varient de façon progressive, mais cela entraîne une perte de précision dans les zones de transition brusque (les bords des objets par exemple). Le nombre de pixels annoncé est donc un nombre calculé virtuel.

Fuji a créé un capteur appelé super CCD où les photosites sont hexagonaux, ce qui permet un pavage différent plus serré. Il a ensuite ajouté dans les espaces disponibles de petits photosites supplémentaires qui permettent d'augmenter la dynamique de la réponse (c'est à dire l'intervalle entre les plages les plus lumineuses et les plus sombres fidèlement traduites). Comme toutes les images numériques ont des pixels disposés en rangées et colonnes selon une matrice carrée, ce qui n'est pas le cas pour ce type de capteur, le traitement du signal va devoir reconstruire une image plus classique dans laquelle le nombre de pixels sera finalement supérieur au nombre de photosites. Certains ont donc critiqué la valeur annoncée par Fuji pour la résolution de ses capteurs en argumentant sur le fait qu'il s'agissait de pixels interpolés. Cette critique ne semble toutefois pas vraiment fondée puisque les pixels recalculés utilisent des informations qui ont été réellement captées, mais d'une autre manière. Finalement on parle là encore de pixels virtuels comme dans le cas des capteurs classiques.

© : Fujifilm

 

Comparaison entre un capteur classique et diverses versions de capteurs Fuji
© : Wikipedia

En 2007 Kodak a annoncé qu'il allait produire un capteur deux à quatre fois plus sensible que ses concurrents. Le filtre de Bayer sera remplacé par une matrice différence : le capteur comportera pour moitié des photosites sensibles aux trois couleurs primaires et pour moitié des photosites « panchromatiques », c'est à dire sensibles à toutes les longueurs d'onde. Sur le plan des principes cette idée est judicieuse. D'une part la lumière arrivant sur les capteurs panchromatiques n'étant pas filtrée, ceux-ci seront bien plus sensibles. D'autre par cela permet, dans le traitement de l'information, de séparer l'information de luminance (fournie par les photosites panchromatiques) et l'information de chrominance fournie par les autres photosites. On sait en effet depuis longtemps que l'essentiel des détails d'une image est fournie par la composante de luminance et très peu par la composante de chrominance. Du moment que les couleurs sont correctes la résolution du signal de chrominance n'a pas besoin d'être très élevée. Reste à voir si cette bonne idée tiendra ses promesses à des prix concurrentiels. L'enjeu est de taille pour Kodak qui a beaucoup souffert de l'irruption du numérique puisque l'essentiel de son activité était basée sur l'argentique (production de films et de papiers).

En blanc : les photosites panchromatiques © : Kodak

On constate que Kodak a retenu le principe existant dans le filtre de Bayer d'un nombre de photosites verts double de celui des bleus ou des rouges. Dans le schéma ci-dessus on voit que le motif de base se reproduit à l'identique toutes les 4 lignes. On y compte 32 photosites panchromatiques, 16 verts, 8 bleus et 8 rouges. Par contre je n'ai pas de réponse à une question simple : pourquoi Kodak n'a-t'il pas tout simplement remplacé tous les photosites verts par des photosite panchromatiques dans la matrice de Bayer ? En effet la valeur du vert peut se déduire sans problèmes du signal panchromatique en soustrayant de ce signal celui du bleu et du rouge fourni par les photosites voisins. Est-ce un problème de simplicité du traitement numérique ou un meilleur rendu des couleurs ?

Le capteur Foveon est basé sur un principe totalement différent : il utilise le fait que les différentes longueurs d'onde pénètrent plus ou moins profondément à l'intérieur du silicium du capteur. Les photosites sont donc disposés sur trois couches, structure qui rappelle celle des pellicules photographiques. La couche superficielle reçoit toute la lumière, donc est sensible au blanc, la deuxième au vert (ou plus exactement reçoit un mélange de vert et de rouge) ; enfin la plus profonde est sensible au rouge. Le processeur de l'appareil reconstitue les trois couleurs primaires par soustraction (par exemple il soustrait l'information sur le vert et le rouge au signal des photosites superficiels qui reçoivent la lumière blanche pour extraire les informations correspondant au bleu).

Ce capteur présente quelques avantages théoriques.  D'une part on utilise la totalité de la lumière et non une partie comme avec un filtre de Bayer, d'autre part on n'a pas besoin de filtre passe-bas.

Foveon, considérant que les trois photosites sont superposés annonce donc un nombre de pixels égal à trois fois le « pavage » réel. En réalité cette évaluation est critiquable : lorsqu'un nombre de pixels de 14 millions est annoncé il n'y a en réalité que 2652 lignes x 1768 rangées, soit à peu près 4,69 millions de pixels élémentaires constituant l'image. À en juger par l'aspect des photographies certains spécialistes estiment en fait que la qualité, comparée à celle d'un capteur classique, se situe à mi-chemin entre les 4,69 millions de pixel réels et les 14 millions annoncés.

© : Foveon

Les images obtenues ont une bonne qualité de couleur, mais ce type de capteur reste pour l'instant très minoritaire malgré certains avantages techniques. Il semble en effet qu'il n'a pas encore été possible de réduire suffisamment la surface des photosites (ou d'augmenter assez la taille du capteur) pour obtenir un nombre de pixels réellement comparable à celui des autres capteurs sans introduire d'autres défauts (le bruit, dont il va être question bientôt). D'autre part la sensibilité maximum utilisable est pour le moment inférieure à celle obtenue avec les capteurs classiques. L'utilisateur le plus cité est Sigma, plus connu pour ses objectifs que pour ses boîtiers.

(3) Voir plus loin pour le bruit qui tend à dégrader les images.

Il est évident qu'à superficie égale du capteur, plus on met de photosites, plus ceux-ci seront petits, donc moins ils recevront de lumière. Le signal qu'ils produiront sera  plus faible. En d'autre terme ils seront moins sensibles à la lumière.

La solution la plus simple serait d'augmenter la taille du capteur, mais ceci se heurte à des contraintes. La première est la contrainte financière car plus la surface est importante plus il y a de risques que la puce présente un défaut avec pour conséquence la mise au rebut d'un nombre non négligeable de capteurs sur les chaînes de fabrication, ce qui fait rapidement augmenter le prix de revient. Si on excepte le marché très étroit des dos numériques professionnels où l'on rencontre des capteurs de grande taille, à ce jour (2007) seul Canon équipe depuis quelque temps ses reflex les plus coûteux d'un capteur de taille proche du 24x36 traditionnel, suivi fin 2007 par Nikon. Tous les autres reflex plafonnent avec des capteurs APS-C.

Les autres solutions possibles sont une meilleure occupation de la surface du silicium en réduisant autant que faire se peut l'espace entre deux photosites (mais il y a des limites liées à l'isolation électrique et aux circuits desservant les photosites), l'utilisation des micro-lentilles collectrices plus efficaces surmontant chaque photosite, la réduction de toutes les sources de bruit (voir ci-dessous) dans le capteur et les circuits annexes, mais il y a des limites théoriques, pratiques et peut-être de coût, enfin l'amélioration du traitement électronique du signal. Toutes ces pistes ont été exploitées et ont conduit à des gains de qualité importants. Jusqu'où peut-on aller encore ?

Le nombre de pixels augmentant d'année en année il est manifeste en effet que des progrès sont faits, mais il convient de se demander s'ils sont toujours dans l'intérêt de l'utilisateur. En effet l'utilisateur d'un compact se contente habituellement de tirages standards en 10x15 cm et fait parfois agrandir certaines images en 13x18. Or nous avons vu que pour ce format une résolution de 3-4 millions de pixels est suffisante. Mais dira-t'on, qui peut le plus peut le moins, donc pourquoi se limiterait-on alors que beaucoup de compacts annoncent maintenant des résolutions de 6 voire 7 millions de pixels pour des capteurs de 1/2,5'' ?

C'est le moment de faire connaissance avec l'ennemi le plus difficile à vaincre en photo numérique : le bruit.

Le signal fourni pas un photosite étant proportionnel à la quantité de lumière reçue on s'attend à ce que celui-ci soit égal à zéro dans l'obscurité. Or c'est malheureusement faux. Les électroniciens savent bien que tout circuit présente un bruit de fond. Celui-ci peut être causé par diverses choses : une couche isolante qui n'isole pas à 100% ou des électrons qui « s'échappent » sous l'effet de l'agitation thermique. C'est la raison pour laquelle les capteurs CCD utilisés pour détecter de très faibles intensités lumineuses (par exemple en astronomie) doivent être refroidis à une température très basse. Bien entendu ceci est inapplicable pour un appareil de photo, mais on comprend facilement qu'il vaut mieux ne pas laisser celui-ci en plein soleil sur la lunette arrière de la voiture, le bruit augmentant rapidement avec la température  !

L'appellation de bruit ou bruit de fond provient du fait que ce phénomène électronique a d'abord été constaté sur des circuits audio : c'est lui qui est responsable du grésillement qui trouble la réception d'une station de radio trop lointaine ; c'est lui qui est responsable du souffle que l'on entend lorsqu'on est en recherche entre deux stations (du moins si le récepteur n'est pas équipé d'un circuit de suppression de ce souffle) ; c'est lui enfin qui est responsable de la « neige » sur l'écran du téléviseur lorsque l'émetteur est arrêté ou en panne.
Ce bruit de fond est parfaitement aléatoire (ce qu'il est facile de voir sur l'écran du téléviseur), c'est-à-dire qu'il ne s'agit pas d'un signal continu qu'on pourrait soustraire facilement pour ne garder que ce qui correspond à l'image. Le signal émis par chaque photosite est donc un mélange d'un signal proportionnel à la quantité de lumière reçue et de celui du bruit de fond. Pour une bonne illumination ce bruit est totalement négligeable face au signal lui-même, mais il n'en va pas de même pour les zones les plus sombres de l'image qui vont donc être affectées par le problème. Ceci se traduit par l'apparition d'une granulation qui peut être assez désagréable dans certaines situations limites, les grains étant plus ou moins colorés. Au bruit propre du photosite on doit ajouter celui de toute l'électronique associée à la récupération du signal et à son amplification. Finalement l'origine de bruit est complexe et celui-ci peut devenir très gênant.

On remarque que le bruit (modéré ici) est plus prononcé dans les zones sombres
Image au format 1/1 (1 pixel écran = 1 pixel de l'appareil)

Il est évident que si les photosites ne captent pas assez de lumière il faut amplifier le signal. C'est d'ailleurs ce qui se produit quand on change la sensibilité de l'appareil : en fait la sensibilité du capteur est toujours la même mais on amplifie davantage le signal (ce qui permet de réduire le temps de pose ou de fermer davantage le diaphragme pour augmenter la profondeur de champ). Mais si la lumière captée par les photosites est plus faible, le bruit, lui, garde toujours la même intensité. Comme on amplifie à la fois le signal (plus faible) et le bruit celui-ci devient très perceptible quand on choisit une forte sensibilité. Les photographes savent bien que les pellicules de forte sensibilité granulent également plus que celles qui sont lentes (pour des raisons totalement  différentes), mais la granulation due au bruit dans un appareil numérique est souvent plus déplaisante que celle du film en raison de son aspect.

Un photon donne naissance dans un photosite à une paire électron + trou et le rendement de la conversion (appelé rendement quantique) est excellent alors qu'il est de l'ordre de 5% seulement pour le film (en effet il faut un nombre non négligeable de photons pour impressionner un seul grain de sel d'argent). Toutefois le rendement final du capteur est nettement inférieur au rendement théorique : d'une part la mosaïque du filtre (matrice de Bayer) absorbe beaucoup de lumière ; d'autre part les photosites ne couvrent pas 100% de la surface du capteur.

Finalement, malgré le rendement quantique élevé de la technologie CCD ou CMOS, si on veut limiter le bruit à des valeurs acceptables on retombe sur des sensibilités qui sont du même ordre que celle des films couleurs. Cette sensibilité, qui détermine le rapport diaphragme/vitesse d'obturation pour un éclairement donné, s'exprime par une valeur ISO (4) (anciennement pour les films on parlait de sensibilité ASA, ce qui revient au même, seul l'organisme définissant la norme ayant changé). On trouve donc sur les appareils numériques un réglage qui permet d'obtenir classiquement les sensibilités ISO 100, 200, 400, 800, 1600 voire même 3200 en jouant sur l'amplification du signal du capteur. Bien entendu seuls les appareils les plus perfectionnés offrent (ou devraient offrir) la possibilité d'atteindre les sensibilités les plus élevées tout en limitant le bruit à un niveau à peu près acceptable. Le bruit n'est pas forcément rédhibitoire si l'on n'agrandit pas trop les images et si le fabricant a été assez honnête pour ne pas proposer une sensibilité exagérée par rapport aux performances de son capteur. De plus il est possible de le réduire à posteriori par un traitement logiciel de l'image.

À taille de capteur égale certains fabricants maîtrisent beaucoup mieux le problème du bruit que d'autres en travaillant sur tous les niveaux : sensibilité du capteur et réduction à son niveau des facteurs de bruit connus ; amélioration des circuits de traitement du signal... D'autres  maîtrisent moins le problème et les amateurs avertis connaissent bien le cas d'un compact d'une marque prestigieuse où le bruit devient excessif dès lors qu'on veut monter au delà de 100 ISO !

On comprend maintenant en quoi la course au nombre de pixels sans augmenter la taille du capteur peut être un leurre dans la mesure où elle ne s'accompagnerait pas d'un effort comparable pour réduire tous les facteurs de bruit de l'image. Malheureusement le nombre de pixels est le critère qui est le plus mis en avant dans la présentation d'un modèle. L'idéal serait de comparer avant achat les images obtenues par  divers appareils réglés sur la même sensibilité élevée. Or le bruit est difficile à bien visualiser sur l'écran LCD d'un appareil. Autant dire que même si on fait un essai comparatif dans un magasin il ne permettra pas de faire un tri efficace, sauf dans les cas les plus flagrants. La lecture de revues ou de sites web spécialisés est nettement plus utile. Le comble du ridicule est atteint avec la course aux millions de pixels pour les téléphones portables, performance totalement disproportionnée, ces appareils étant équipés d'objectifs basiques.

Un autre défaut des capteurs est le blooming, ou éblouissement. En effet lorsque des photosites sont saturés par un plage de luminosité trop intense les électrons excédentaires qu'ils produisent ont tendance à fuir vers les photosites voisins en produisant un halo qui ne sera pas forcément semblable dans le sens vertical et horizontal, en fonction de la structure intime du capteur. Là encore il y a des moyens, en travaillant sur les circuits électroniques, pour contenir ce phénomène dans des limites acceptables mais comme pour le bruit, tous les fabricants ne se valent pas. Les capteurs CMOS se comportent mieux dans l'ensemble que les CCD de ce point de vue. Foveon affirme que son capteur est très peu affecté par cet effet.

Le dernier problème rencontré avec les capteurs est celui de la poussière. Ce problème est négligeable avec un appareil argentique puisque la surface sensible est différente pour chaque image. Ce sont les capteurs des reflex qui sont le plus exposés aux poussières pour plusieurs raisons : le changement d'objectif en fonction du type de sujet, pratiqué par tous les amateurs avertis et les professionnels, ouvre la chambre photographique et l'expose aux poussières extérieures ; le mouvement de « pompage » important des zooms peut aspirer des poussières ou remettre en suspension celles qui seraient dans le boîtier ; il en est de même pour le mouvement du miroir et de l'obturateur plan focal. Les poussières sèches peuvent être enlevées avec un soufflage doux obtenu avec une bombe pressurisée ou une poire équipée d'un pinceau pour optique. Par contre les poussières grasses nécessitent un nettoyage délicat et à moins d'être très minutieux il vaut mieux confier l'appareil à un spécialiste.

Les reflex récents utilisent des revêtements antistatiques pour les surfaces à l'intérieur de la chambre de prise de vue et ils incorporent un dispositif de dépoussiérage qui décroche les poussières du capteur en soumettant celui-ci, ou simplement le filtre passe-bas (ce qui semble plus astucieux) à de courtes vibrations ultrasonores (grâce à un quartz piézoélectrique). Enfin certains offrent la possibilité de corriger automatiquement par voie logicielle les défauts introduits par les poussières résiduelles.

(4) ISO : International Organization for Standardization. ASA : American Standards Association

Chacun sait qu'il ne faut pas bouger l'appareil lors d'une prise de vue. Avec les téléobjectifs les petits mouvements ou tremblements de la main sont fortement amplifiés, ce qui nécessite une vitesse d'obturation élevée qui peut être incompatible avec les conditions d'éclairage. Depuis quelque temps divers fabricants produisent des objectifs pourvus d'un stabilisateur optique. Il s'agit généralement d'un bloc optique supplémentaire qui se déplace pour compenser ces mouvements involontaires. Le mouvement est détecté par plusieurs petits accéléromètres ou gyrocapteurs et transmis à un micro-calculateur qui commande le déplacement des lentilles en temps réel. Il est ainsi possible d'utiliser des vitesses deux à trois fois plus lentes sans risque de bougé lorsque c'est nécessaire.

Objectif stabilisé © Canon

Cette correction n'est pas spécifique aux appareils numériques mais certains constructeurs d'appareils numériques ont incorporé le mécanisme de stabilisation dans le boîtier lui-même, tout simplement en commandant un déplacement compensateur du capteur. Ces boîtiers ont le gros avantage de permettre l'utilisation d'objectifs normaux, donc moins complexes et moins coûteux. Il est toutefois peu probable que cette solution simple soit adoptée par les constructeurs qui ont développé une gamme d'objectifs stabilisés : certains choix ne permettent guère de revenir en arrière.

Enfin il faut démystifier l'appellation « stabilisateur numérique » utilisée par certains appareils. Il s'agit d'une tricherie : le « stabilisateur numérique » ne stabilise rien : il raccourcit tout simplement le temps d'exposition en augmentant la sensibilité à l'insu de l'utilisateur, avec les problèmes de bruit qui en résultent.

Capteur et dispositif de stabilisation incorporé au boîtier © Pentax

Il existe un autre type de stabilisateur numérique qui semble n'être employé avec certains APN qu'en mode vidéo, et aussi dans les caméscopes. Il consiste à exploiter une image de taille inférieure au capteur. Autrement dit, avec un appareil immobile les photosites périphériques ne sont pas lus. En fonction du déplacement détecté la surface sur laquelle l'image est recueillie sera plus ou moins décentrée par le calculateur de façon à compenser son déplacement. Ceci stabilise le cadrage lors d'une prise de vue mais n'améliore certainement pas la netteté.

Bien que ce soit sans rapport c'est l'occasion de démasquer une autre petite tricherie : le zoom numérique. C'est simplement une astuce de calcul qui permet de ne garder que la partie centrale de l'image. Autrement dit on agrandit l'image en utilisant moins de photosites, donc en dégradant la résolution. Autant prendre l'image totale avec la pleine résolution et la recadrer plus tard sur l'ordinateur en fonction des besoins avec un programme de retouche.

 Arrivé à ce point, il n'y a pas encore d'image. Mais avant tout, comment l'exposition se fait-elle ? Tout d'abord il faut « vider » les photosites des charges électroniques parasites qui s'y trouvent grâce à un signal adapté puis procéder immédiatement à l'exposition. Certains types de capteurs ne nécessitent pas, ou ne nécessiteraient théoriquement pas d'obturateur : il suffit, juste après le « vidage » du capteur, de transférer vers le circuit amplificateur les charges qui se sont accumulées au cours d'une brève fraction de temps qui correspond au temps de pose. Ceci repose sur un système d'horloges électroniques qui séquencent les opérations à exécuter. On n'entrera pas ici dans les détails techniques qui n'ont guère d'intérêt que pour les électroniciens.

D'autres capteurs nécessitent l'utilisation d'un véritable obturateur pour exposer le capteur de la même manière qu'un film. C'est le cas en particulier dans les reflex où existe un obturateur plan focal, ce qui explique pourquoi on doit utiliser le viseur optique traditionnel du reflex pour cadrer l'image au lieu de l'écran LCD (sauf sur quelques modèles très récents où il est possible de contourner cette limitation).

Les circuits d'amplification sont directement intégrés dans les capteurs CMOS mais sont séparés pour les capteurs CCD. Le signal une fois amplifié est toujours un signal analogique qui doit être numérisé par un convertisseur analogique/digital (intégré également dans les capteurs CMOS) avant d'être traité par le processeur. On sait que tous les écrans de visualisation reposent sur un codage sur 8 bits de chacune des trois couleurs primaires Rouge, Vert, Bleu. Cette solution donne 256 niveaux possibles pour chaque couleur primaire et 256³=16777216 combinaisons possibles, ce qui fait dire que ces écrans peuvent représenter 16 millions de couleurs. Ceci paraît largement suffisant car c'est plus que ce que l'oeil humain peut discriminer. Mais en réalité ce nombre est trompeur : entre le blanc et le noir total il n'y a que 256 gradations possibles (2⁸) et ceci est vrai pour chacune des couleurs pures. Les quelques 16 autres millions de couleurs proviennent du mélange en proportion variable de la lumière émise par chaque couleur primaire, chacune ne pouvant prendre que 256 niveau distincts.

Malheureusement cette situation n'est pas optimum pour un capteur. Imaginons une image test constituée de bandes grises dont la luminance moyenne est telle qu'elle est réduite de moitié quand on passe d'une bande à la suivante, la première bande étant blanche. Bref c'est comme si on fermait le diaphragme d'un cran en passant d'une bande à sa voisine plus foncée. Si on l'expose correctement de telle sorte que la bande blanche soit enregistrée comme un blanc parfait (valeur 255 pour chacune des trois couleurs RVB) dans ces conditions la première bande grise sera représentée par 128, 128, 128, la troisième par 64, 64, 64, la quatrième par 32, 32, 32... Autrement dit le nombre de bits disponibles devient de plus en plus faible au fur et à mesure qu'on considère des zones de plus en plus sombres. Les nuances allant du blanc absolu au premier gris disposent de 128 bits pour être représentées, celles comprises entre le premier gris et le suivant ne disposent que de 64 bits, et pourtant il y a le même écart de luminance dans les deux cas, etc. Conclusion : on pourra enregistrer beaucoup de détails dans les zones lumineuses tandis que les régions sombres enregistreront trop peu d'informations, celles-ci étant en outre plus ou moins parasitées par le bruit. En d'autres termes la dynamique est médiocre dans les zones peu éclairées ou, de façons encore plus concrète, il sera difficile de rattraper aisément une sous-exposition (5).

La solution pour améliorer les choses consiste à offrir un espace supérieur à 8 bits pour faire la conversion analogique-numérique. On ne trouve guère de renseignement sur ce point critique à propos des compacts, mais pour les reflex et les dos numériques on sait que la numérisation se fait selon les cas sur 12 ou 14 bits, voire peut-être même 16 bits pour certains dos, ce qui améliore nettement l'information collectée pour les zones les plus sombres.

Mais il n'y a toujours pas d'image à ce stade : l'étape suivante est confiée à un programme qui va « dématricer » l'ensemble du signal, c'est à dire combiner les informations des différents photosites monochromes pour restituer des pixels trichromes, en nombre égal aux photosites dans les capteurs CCD ou CMOS classiques. Le programme exécuté par le processeur de l'appareil peut éliminer  également à ce stade certains défauts de l'image avec des algorithmes adaptés.

Processeur de traitement d'image © : Canon

Enfin l'image sera transformée en un format connu, le plus courant étant le JPEG. Mais là le processeur doit procéder à une nouvelle interprétation car le JPEG ne supporte que le codage sur 8 bits, ce qui est de toutes façons la manière dont l'écran affichera l'image. Il faut donc que le programme de conversion, tout en acceptant des sacrifices dans la dynamique du signal, les fasse en sacrifiant le moins possible ce que la dynamique plus élevée du capteur avait permis de récupérer dans les zones sombres. Durant cette étape le processeur de l'appareil procède habituellement à un traitement des couleurs (sur la saturation en particulier) de façon à fournir une image plus « flatteuse » que le strict rendu neutre et objectif du capteur ; il corrige aussi le manque de vigueur de l'image causée par le filtre passe-bas. C'est également à ce niveau que se fait la balance des blancs pour tenir compte des conditions d'éclairage (habituellement les amateurs laissent ce réglage sur automatique, ce qui donne un résultat rarement optimum).

Le format JPEG est un format de compression très performant car il accepte une perte des plus petits détails ou des plus faibles nuances de couleur que l'oeil ne remarque habituellement pas. Les appareils permettent généralement d'enregistrer des images JPEG de haute qualité (avec pertes faibles) ou de plus basse qualité. Dans ce cas le fichier de l'image est plus petit (on peut donc en stocker davantage sur une carte mémoire) mais au prix d'une perte plus importante des détails. Il faut se méfier du fait que certains appareils présentent ce mode dégradé comme qualité standard.

Ne pas confondre cette option avec celle qui consiste à changer la taille de l'image (exprimée en nombre de pixels), où l'appareil recalcule entièrement l'image pour la réduire à un format plus petit. Sauf si on sait d'emblée que la photographie n'aura qu'une utilisation limitée (illustrer un site web par exemple ou affichage sur écran d'ordinateur uniquement) il n'y a aucun intérêt à choisir cette option. Certes on peut mettre davantage d'images sur la carte mémoire mais au détriment de leur taille, donc de la possibilité de les agrandir sur papier.

Le format JPEG est le seul qui soit disponible sur les compacts et la plupart des bridges. Comme c'est un format de compression avec perte on comprend aisément que si on doit retoucher l'image sur ordinateur, l'enregistrement de l'image retouchée introduira des pertes supplémentaires. Cela reste possible tant qu'on utilise une compression avec un facteur de qualité élevé, qu'on ne multiplie pas trop des interventions successives sur l'image, et qu'on ne projette pas de tirer des agrandissements de grande taille. Mais les possibilités d'intervention restent limitées.

C'est pourquoi les professionnels et les amateurs exigeants préfèrent d'autres formats d'enregistrement. En particulier le format TIFF qui est un format sans perte de qualité et qui peut, au moins avec certains programmes, travailler avec des niveaux sur 16 bits au lieu de 8. En contrepartie les fichiers sont de taille très importante même s'il existe des options pour les compresser sans perte.

Il est possible de visualiser les pertes dues au format JPEG en utilisant l'espace de couleur LAB. La décomposition d'une image en LAB par Gimp fournit trois calques. Le calque L reproduit la luminance de l'image et la couleur est codée dans les calques A et B. La manière dont les niveaux de gris sur les calques A et B codent les nuances de couleur est un peu complexe et sans intérêt ici. Il est facile de constater que si la luminance est assez fidèlement conservée (du moins pour des taux de compression modérés), pour les couleurs les détails le sont beaucoup moins, contrairement à ce que donne la même image au format TIFF.

Les images ci-dessous ont été obtenues à partir d'un cliché numérique « haute qualité », c'est à dire avec une compression faible.

Détail d'une image JPEG au format 1/1 (1 pixel d'écran = 1 pixel de la photo)

Canal L (luminance après décomposition LAB).
On constate que les détails sont bien conservée.

Canal A (un des deux canaux de chrominance).
On observe clairement les pavés des artefacts de compression (le contraste a été renforcé pour les mettre en évidence).

Enfin les reflex et quelques bridges permettent d'enregistrer le signal numérisé brut dans un format appelé RAW sur lequel nous allons revenir.

(5) Cette description paraîtra caricaturale pour un spécialiste, les choses étant bien plus complexes, mais elle suffit pour faire comprendre le problème.

Un des intérêt de la photographie numérique est la possibilité de retravailler les images sur ordinateur. On peut rectifier le cadrage, redresser un bâtiment incliné parce qu'on a tenu l'appareil un peu de travers, changer la luminosité, le contraste ou l'équilibre des couleurs sur l'ensemble d'une image ou sur certaines de ses parties, supprimer un détail gênant, enlever les yeux rouges causés par le flash, améliorer la netteté du moins dans une certaine mesure (ce qui n'est pas possible avec les photographies argentiques) redimensionner une image pour la mettre dans un document ou une page web... Pour les modifications les plus simples il existe d'excellents petits programmes gratuits comme PhotoFiltre, XnView ou Paint.NET. Pour des travaux élaborés il est difficile de ne pas citer le logiciel Adobe Photoshop, très coûteux, mais il est possible de faire beaucoup de choses avec le logiciel gratuit Gimp, même s'il lui manque encore certaines fonctions de Photoshop.

On retrouve alors des possibilités qui sont réservées uniquement à ceux qui agrandissent eux-mêmes leurs photographies argentiques, avec plus de facilité et de souplesse, et sans se salir les mains dans des bains de révélateur. Il est même possible de faire beaucoup plus comme le montreront certains exemples dans la partie suivante.

Comme cela a été expliqué précédemment le format JPEG n'est pas le plus favorable mais un amateur pourra toutefois retravailler ses photographies au format JPEG avec profit s'il prend soin de les enregistrer avec un facteur de qualité élevé (supérieur à 95%). Une autre limite est qu'il n'est guère possible de récupérer beaucoup d'information dans les zones sombres quand on joue sur la luminosité ou le contraste.

Le format TIFF étant un format sans perte, il est nettement plus favorable lorsqu'on veut travailler ses images. Toutefois il est évident qu'on n'améliore pas la qualité d'une image en transformant un JPEG en TIFF : ce qui est perdu ne se récupère pas. Par contre certaines manipulations nécessitent parfois le traitement par plusieurs logiciels successifs, ou bien encore on peut faire une partie des modifications, enregistrer et reprendre le travail plus tard.

L'enregistrement intermédiaire dans un format sans perte s'impose dans ce cas et le TIFF est recommandé. En outre le format TIFF permet d'enregistrer les images avec une profondeur de 16 bits par couleur au lieu de 8 pour le JPEG. Ceci permet d'extraire davantage d'informations, en particulier dans les ombres, quand on a besoin de retravailler la luminosité ou le contraste. Malheureusement dans sa version actuelle (2.4) Gimp est bien capable de lire du TIFF 16 bits mais il le convertit en 8 bits. Il paraît que la compatibilité totale avec le format 16 bits est prévue... pour la version 3.

Passons maintenant à un point qui ne concerne guère que les professionnels et les amateurs avertis. En effet la plupart de ceux qui utilisent un reflex numérique se contentent probablement du format JPEG, et ils ont raison s'ils ne sont pas des passionnés de la technique. Mais les reflex offrent un autre format d'enregistrement appelé RAW (= brut) qui permet de travailler de façon très puissante l'aspect final de l'image. En effet le principe de ce format consiste à enregistrer directement les données numérisées issues de chaque photosite. Autrement dit ce que ce format enregistre n'est pas encore une image car elle n'a pas été reconstruite par le processeur de l'appareil. Bien évidemment la taille de ces fichiers est très élevée.

C'est un peu l'équivalent d'un négatif qui ne serait pas encore développé et d'ailleurs certains n'hésitent pas à dire qu'ils « développent » leurs RAWs. Ce fichier doit être traité avec un programme appelé dérawtiseur. Il peut être fourni avec l'appareil mais il existe aussi des programmes indépendants et des plugins pour les logiciels de traitement d'image (dont l'inévitable Photoshop). Il existe également un programme libre un peu minimaliste mais comportant les fonctions essentielles, UFRaw, qui peut aussi fonctionner comme plugin de Gimp. Tous ces programmes n'ont pas le même degré de commodité d'emploi et ils peuvent différer également par les options avancées qu'ils proposent. Bien évidemment si on achète un produit non fourni par le fabricant il faut s'assurer qu'il est capable de lire le format RAW de l'appareil qu'on utilise parce que ce format varie selon les marques (et parfois même d'une génération d'appareil à l'autre dans la même marque).

Le dérawtiseur UFRaw

Cette multiplicité des formats RAW pose un problème : celui du risque de ne plus pouvoir lire dans quelques années des clichés stockés dans un format non standardisé. C'est pourquoi Adobe a proposé un format ouvert qui se voudrait unificateur, dénommé DNG qui peut être utilisé librement. Adobe propose un logiciel gratuit de conversion des divers formats RAW vers DNG (Adobe DNG Converter). Ce format a été adopté par un petit nombre de fabricants et divers logiciels peuvent le lire mais il n'a pas encore réalisé une percée décisive.

Le premier travail qu'accomplit un déwratiseur est le dématriçage : dans cette phase il reconstruit les pixels à partir des données brutes. L'image obtenue est d'une neutralité totale par rapport aux données numériques. Elle peut donc paraître un peu terne et plate ou bien trop claire ou trop sombre. Mais le dérawtiseur fournit toute une série de réglages permettant un bon équilibre du rendu final (luminosité, contraste, équilibre entre les zones claires et sombres, saturation et balance des couleurs, renforcement de la netteté...).

D'autres options sont variables d'un programme à l'autre mais on trouve généralement une option de réduction du bruit, des options permettant de corriger les franges colorées que créent parfois les aberrations chromatiques des objectifs, ou même de corriger les distorsions qu'on observe souvent sur les zooms en position grand angle où les lignes verticales et horizontales vont apparaître cintrées, ce qui est gênant pour une photo d'architecture par exemple.

Le gros avantage du traitement fait à cette étape est qu'on utilise directement les signaux des photosites pour les combiner le mieux possible. On peut également exploiter toute la dynamique de l'image sur 12 ou 14 bits pour faire ressortir dans les zones trop claires ou trop sombres des détails qui auraient été déjà définitivement perdus sur un enregistrement JPEG. On a tout intérêt à faire le maximum de réglages possibles à ce stade puisqu'on dispose de toutes les informations numériques. Ce n'est plus le cas dans les formats d'image tels que le JPEG ou le même le TIFF où ces informations ont déjà été mixées pour recalculer les pixels à partir des photosites. Si nécessaire les dernières modifications pourront nécessiter ensuite l'usage d'un logiciel de traitement de l'image, mais on est sûr que la transformation en JPEG (ou en TIFF pour les professionnels) qu'on fera en fin de traitement par le dérawtiseur tirera le meilleur parti de ce qui a été enregistré : le photographe ne dépend plus d'un programme préétabli appliqué par le processeur de l'appareil. Il décide lui-même du rendu final de son cliché. Le professionnel appréciera également, lorsqu'il possède toute une série d'images prises dans les mêmes conditions, que le dérawtiseur puisse appliquer automatiquement à toute la série les réglages qui ont été mis au point sur une photographie.

L'inconvénient du format RAW est la taille considérable des fichiers qui oblige à utiliser sur l'appareil des cartes de mémoires de grande capacité, donc chères.

Liens pour télécharger les logiciels :

• Gimp : http://www.gimp.org/downloads/
• XnView : http://pagesperso-orange.fr/pierre.g/xnview/enxnview.html
• PhotoFiltre V6 (il existe également une version shareware, PhotoFiltre Studio) : http://www.photofiltre-studio.com/news.htm
• Paint.net : http://www.getpaint.net/
• UFRaw : http://ufraw.sourceforge.net/
• Adobe DNG Converter : http://www.adobe.com/fr/products/dng/

Il est parfois nécessaire de pouvoir utiliser une sensibilité élevée : c'est le cas en sport où l'on doit saisir au vol des actions très rapides, ce qui nécessite des temps de pose très courts (les reflex numériques descendent jusqu'au 1/4000^ème de seconde, voire au 1/8000^ème). Cela permet aussi de se dispenser dans beaucoup de cas du recours au flash qui donne un éclairage très dur et dont l'usage manque de discrétion. Mais on sait que dans ce cas l'ennemi est le bruit. Tous les appareils ne se valent pas de ce point de vue, mais le bruit est inévitable aux fortes sensibilité. Heureusement il existe des programmes qui permettent de réduire très fortement ce défaut. On peut améliorer ainsi des images JPEG, mais on a tout intérêt à appliquer ce traitement avant tout autre chose, et pour les possesseurs de reflex qui ne seraient pas rebutés par le format RAW, avant la transformation en JPEG.

Dans le cas le plus simple le programme applique un algorithme standard à l'image, l'utilisateur étant simplement maître de l'intensité de la correction.

Dans d'autres programmes l'utilisateur choisit une zone bien uniforme sur laquelle le programme va analyser les caractéristiques du bruit de l'image. Il applique ensuite une correction avec un algorithme complexe qui va éliminer l'essentiel de la granulation.

Des programmes plus sophistiqués sont capables de choisir eux-mêmes les zones qu'ils vont tester et, à partir de ces mesure, d'appliquer une correction différente pour les zones claires, sombres ou de différentes couleurs. Ils peuvent même posséder les données caractérisant le bruit d'un appareil photographique d'un modèle précis en fonction de ses différentes sensibilités et les appliquer automatiquement sans passer par la phase de mesure préliminaire.

Il existe un plugin nommé GREYCstoration pour Gimp (donc gratuit) qui permet de faire presque aussi bien, mais au prix de tâtonnements parmi plusieurs réglages numériques plutôt rebutants car il ne permet pas de sélectionner des zones servant à étalonner la correction. Par chance il existe aussi d'autres plugins ou scripts moins sophistiqués mais d'utilisation plus simple.

Bien évidemment ce traitement introduit une certaine perte d'information dans l'image et un léger flou qu'il faudra corriger ensuite par un filtre d'amélioration de la netteté. Un autre inconvénient est que les images pourront apparaître trop douces ou que certaines surfaces sembleront trop lisses. En fait tout dépend de la méthode utilisée par le programme (ou le plugin) de débruitage. Tout le problème est de faire un compromis acceptable qui pourra varier selon le sujet photographié et selon la force de filtrage qu'on accepte d'appliquer. En effet il n'est pas possible de supprimer la totalité du bruit ; il suffit simplement de le ramener à un niveau acceptable sans donner à l'image un caractère artificiel.

Il existe deux type de bruits dans une image. Le plus désagréable est généralement de bruit chromatique qu