Appareil Photo Numérique - Page perso de Dominique Bounie

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2. L’APN (Appareil Photo Numérique)
D. Bounie, Polytech'Lille – IAAL, Photographie numérique
La chaîne de traitement de l’image d’un APN
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Source lumineuse
Sujet
Lentilles
Diaphragme
Obturateur
Capteur CCD
Mémoire tampon
Carte mémoire
d’après Konica Minolta
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Différentes catégories d’APN
Compact
Bridge
Reflex
• Visée électronique (écran LCD)
• Zoom ; optiques souvent non
interchangeables
Ex. : Canon PowerShot A75
Ex. : Fuji FinePix S5000
• Visée reflex
• Optiques interchangeables
Ex. : Canon EOS 300D
Autres types d’APN :
Photophones
Dos numériques
Moyens/grands formats
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Principe de la prise de vue avec un appareil réflex
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(d’après Konica Minolta)
1. Visée à travers l’oculaire/pentaprisme, à pleine ouverture du diaphragme. Le
système autofocus détermine la zone de mise au point, l’appareil calcule l’exposition.
2. Le miroir de visée se relève et dégage l’obturateur, le diaphragme se referme à la
valeur calculée.
3. L’obturateur s’ouvre, l’exposition a lieu sur le capteur CCD ou CMOS.
4. L’obturateur se referme, l’exposition est terminée, le diaphragme revient à pleine
ouverture.
5. Le miroir se rabaisse, l’appareil est prêt pour la prochaine de vue.
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Différentes catégories d’APN : comparaison
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Types APN
Compact
Bridge caméra
Reflex numérique
Utilisations
• Utilisation familiale
• Utilisation quotidienne (dans la
poche ou le sac)
• Débutants (jusqu'à avertis pour
certains modèles)
• Utilisation débutante (en
mode automatique)
• ou avancée (en tout manuel)
• Utilisateurs avertis, semiprofessionnels, pro
• Aucune limite
d'utilisation
Avantages
• Faible encombrement donc
transportables facilement (par
exemple pour partir en vacances)
• Grande profondeur de champ
• Zooms lumineux
• Préréglages et modes automatiques
pratiques pour les débutants
• Prix attractifs
• Maîtrise de l'image
• Moins encombrant qu'un
reflex
• Légèreté
• Prix plus abordable qu'un
reflex
• Qualité d'image (selon
l'objectif)
• Réactivité
• Evolutif
• Visée parfaite
Inconvénients
• Lenteur (à la mise en route, à la
mise au point : temps de latence)
• Présente très rarement un mode de
mise au point manuel
• Le viseur optique n'est pas assez
précis pour vérifier la mise au point
et ne renvoie pas l'image exacte de
ce que l'on photographie (il y a
souvent des décalages)
• Les capteurs miniaturisés génèrent
du bruit
• Viseur électronique moins
précis qu'un reflex
• Difficile d'avoir une très
faible profondeur de champ
• Temps de réaction
• Encombrant (boîtier +
objectif + accessoires…)
• Prix
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Fonctionnement d’un APN
d’après Digital Photo magazine
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Capteur CCD ou matrice à transfert de charges
(Charge Coupled Device)
2. lentilles convergentes
3. grilles de filtres R, V, B
4. photosites en silicium
vers calculateur
Traitement par
transfert de charges
1. filtre de protection
Infra Rouge
(document Fuji)
Principe
Avantages
Inconvénients
• les « photosites » sont des
photodiodes convertissant la
lumière en charges électriques
• ces charges sont transférées une
à une et par ligne au processeur
• images haute qualité
• faible bruit de fond
• excellente sensibilité
• technologie maîtrisée
• forte consommation
• fabrication délicate
• insensibilité à la couleur Æ
ajout de filtres
• coût de production élevé
D. Bounie, Polytech'Lille – IAAL, Photographie numérique
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Traitement tricolorimétrique RVB avec grille de Bayer
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Principe de la recomposition de la couleur
avec un système CCD + filtres RVB
(document Konica-Minolta)
Principe
• Les éléments sensibles à la lumière (photosites) sont, au départ, insensibles à la couleur
• Pour leur donner cette sensibilité, on leur superpose une couche de filtres RVB qui sélectionne et
envoie sur chaque photosite l’une des trois composantes RVB (en fait, on interpose deux fois plus de
filtres Vert pour restituer la plus grande sensibilité de l’œil au vert)
• la couleur de chaque pixel est alors calculée par interpolation des réponse de 4 photosites adjacents
Problème
• Du fait des discontinuités ainsi créées, le processus d’interpolation peut générer des artefacts ou
une perte de sensibilité
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Capteur à 3 CCD de Minolta (système RD 175)
Lentille
Décomposition du faisceau
en 3 faisceaux renvoyés sur
3 CCD
Filtres R V B associés
à chacun des CCD
Recomposition additive
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Capteur CMOS
(Complementary metal oxide semi-conductor)
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d’après Digital Photo magazine
Principe
Avantages
Inconvénients
• les photosites sont des photocapacités qui convertissent
individuellement la lumière
perçue en tension électrique,
ensuite numérisée
• faible coût de production
• consommation réduite
• traitement intégré au capteur
• qualité d’image améliorable
• surface disponible réduite Æ
moins de lumière reçue Æ
sensibilité réduite et bruit de
fond
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Comparaison CCD/ CMOS
(d’après Luxorion, http://astrosurf.com/luxorion/photo-numerique3.htm)
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
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Capteur Foveon
Principe
Avantages
Inconvénients
• chaque pixel comporte trois couches de
silicium absorbant de façon sélective les
électrons : plus la longueur d’onde est
élevée (λRouge > λVert > λBleu), plus la
lumière pénètre profondément
• définition accrue (un
pixel remplace trois pixels)
• amélioration vidéo
• bon marché
• ne nécessite pas de filtre
• technologie pionnière,
manque de recul
• résultats décevants
aux ISO élevés
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33,9 mm
(4/3’’)
1 pouce (1’’) = 2,54 cm
Différents formats de capteurs d’APN
22,5 mm
Zone active
Taille totale
APS-C
23,4
15,7
28,2
Taille des capteurs
(d’après absolut-photo.com)
12,4 MPixels
(d’après Znet.fr)
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Les effets de l’augmentation du nombre de pixels
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(d’après DigitalPhoto magazine)
Capacité capteur
Olympus C-350 Zoom
Olympus C-50 Zoom
Coefficient
multiplicateur
3,34 Mpix
(1536 x 2048)
5,4 Mpix
(1920 x 2560)
1,61
2560/15 = 17 pix/mm
= 427 dpi
1,26
15x427/341 = 21,35
cm
1,26
Résolution
2048/15 = 14 pix/mm
(tirage sur papier 10 x 15 cm)
= 341 dpi
Taille du tirage max.
(à 300 dpi)
15x300/341 = 17 cm
Conclusions
• L’augmentation du nombre de pixels n’améliore pas dans les
mêmes proportions la qualité des photos
• Elle s’accompagne d’un perte de sensibilité (par diminution de la
taille des pixels), d’une augmentation de prix (à taille de pixels
égale) et nécessite un surcroît de puissance de calcul et de
mémoire
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Processeur
Quelques fonctions dévolues au processeur :
• Elaboration des données colorimétriques par transformation puis regroupement/interpolation
des signaux électriques fournis par chacun des photosites RVB du capteur
• Eventuelle correction colorimétrique : balance des blancs, contrastes (modification globale ou
locale, ex. système HP de flash numérique « Live lightning »)
• Atténuation du bruit
• Codage des données sous forme de fichier graphique (données colorimétriques plus,
éventuellement, métadonnées EXIF : fichiers RAW et TIFF ; compression éventuelle : fichiers
JPEG)
• Gestion optimisée des différentes fonctions de l’APN (par ex. pour prise de vue en rafale)
Exemple de processeurs dédiés :
• R-Tune (Kyocera)
• DIGIC (Canon)
• TruePic Turbo (Olympus)
• New Engine (Panasonic)
• Real Life Technology (HP)
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Différents formats de supports de mémoire
Carte xD
Picture
(xD)
Carte
MutiMedia
(MMC)
Carte Secure
Digital (SD)
Carte
SmartMedia
(SM)
Memory
Stick (MS)
Compact
Flash (CF)
Microdrive
(MD)
Aspect
Taille
(mm)
20x25x1.7
24x32x1.4
24x32x2.1
36x45x0.5
21x50x2.5
44x36x3
(CF I)
44x36x3
(CF II)
44x36x5
Capacité
16 à 512 Mo
32 à 256 Mo
16 à 512 Mo
8 à 128 Mo
16 à 256
Mo
(standard),
256 Mo à 1
Go (Pro)
4 Go
1 Go à 4 Go
Vitesse
d’écriture
• Modèles standard : inférieure à 1,5 Mo/s
• Modèles professionnels : jusqu’à 8 Mo/s, voire 18 Mo/s
Autres supports :
• Carte PCPMCIA : 54x86x3 (type I), 5 (type II) ou 10 (type III) mm ; 32 Mo à 1,6 Go ; en voie d’abandon
• Disquette 3,5 ’’
• Mini CD-RW 8 cm
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Montage optique du couple objectif-capteur
Angle de
champ
Cercle image
Objectif
Diaphragme
Capteur
Vignettage
∞
Fi
Fo
f
PFi
Un mauvais ajustement du cercle image sur le
capteur peut provoquer l’exclusion de certains
de ses photosites (vignettage)
Le capteur est placé dans le plan focal de l’objectif
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Correspondance entre champ de vision (en degrés) et focale (en mm)
pour un capteur 24 x 36 mm
12°
8°
6°
0°
60
18°
40
23°
30
28°
20
14
46°
13
8m
62°
10
160° 92° 84° 74°
Sujet
Appareil photo
180°
m
0m
m
0m
m
0m
m
0m
m
5m
m
5m
mm
mm
mm
mm
Œil
humain
80
50
35
28
mm
24
mm
21
mm
m
Grand angle
Zoom
In DigitalPhoto magazine
Plus la focale augmente, plus l’angle du champ de vision diminue
et plus l’effet de grossissement augmente
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Notion de profondeur de champ
Profondeur de champ : zone de netteté de part et d’autre du plan de visée
d’après Konica Minolta
plus l’ouverture diminue, plus la profondeur de champ augmente
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Conversion de focales entre 24x36 et APN
Appareils
Taille capteur
(hauteur x largeur)
Format capteur
(largeur / hauteur)
Diagonale
capteur
Coefficient de
conversion de
focale *
Reflex argentique
24x36 mm
3/2
43,3 mm
1
24mm 36mm
Moyen format
Moyen format
39x50 mm
5/4
63,4 mm
0,68
Reflex
Canon EOS 20D
15x22,7 mm
3/2
27,2 mm
1,59
Nikon D70
15,6x23,7 mm
3/2
28,1 mm
1,53
Olympus E1
13,5x18 mm
4/3
22,5 mm
2
5,9x7,9
4/3
9,9 mm
4,4
4,7x6,3
4/3
7,9 mm
5,5
Compact
* = (diagonale film 24/36) / (diagonale capteur APN)
Plus la taille du capteur diminue, plus la focale augmente par rapport à un 24x36 :
• plus l’effet de grossissement augmente ;
• plus l’angle de champ de vision et la profondeur de champ diminuent ;
• moins il est sensible à la lumière et, donc, plus le bruit augmente
Æ mauvaise qualité des photophones
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Diaphragme et ouverture
f/2
f/1
f/1,4
Diminution de l’ouverture et de la lumière transmise
f/2
f/2,8
= diamètre d’ouverture
(avec f = focale)
Ex. : si f = 50 mm, f/2 = 25 mm
f/4
f/5,6
f/8
f/11
f/16
f/22
f/32
f/45
f/65
f/90
Chaque diminution de l’ouverture d’une valeur de diaphragme
diminue de moitié la lumière transmise
• plus le dénominateur augmente, plus l’ouverture diminue, plus la quantité de lumière transmise
est faible, plus le bruit est élevé et plus on doit travailler à vitesse lente (risque de « bougé »)
• plus l’ouverture diminue, plus la profondeur de champ augmente
• plus la focale est longue, plus l’ouverture maximale est faible
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Page 23
Loi de réciprocité « ouverture – vitesse »
Ouverture
…
Vitesse
f/2,8
f/4
f/5,6
…
…
1/20 s
1/10 s
1/5 s
…
Zone d’application de la loi de réciprocité
(effet Schwartzschild »)
…
1/4 s
1/1000 s
Quantité lumière
transmise
…
constante
Profondeur de
champ
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Mesure de la lumière par posemètre intégré
La lumière est mesurée à l’aide de cellules photosensibles (silice, sélénium).
La mesure peut être effectuée en mode déporté ou à travers l’objectif (TTL, Through The Lens)
Mesure à
prépondérance centrale
Mesure
sélective
Mesure
spot
Mesure
Multizone (matricielle)
In DigitalPhoto magazine
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Système de visée optique
(une visée électronique affiche une vue recomposée de l’image sur un écran LCD)
Visée optique décentrée
Visée reflex
Pentaprisme
Prisme de Porro
défaut de parallaxe
(d’après M. de Ferrières)
(doc Olympus)
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Viseur optique Canon EOS 20D
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D. Bounie, Polytech'Lille – IAAL, Photographie numérique
Principe de la mesure autofocus :
Page 27
capteur et réglage
Dérivation d’une partie de la lumière
sur le capteur autofocus
Des algorithmes calculent la mise au point optimale
correspondant à une netteté maximale de l’image (appréciée
par détection des contrastes : système à « détection de phase »)
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Ecran LCD de contrôle (Canon EOS 20D)
Page 28
Affichage LCD des prises de vue
Écran LCD de contrôle
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Alimentation
Types d’alimentation
Caractéristiques
Piles jetables bâtons :
LR06, AA
• Piles salines (ex. zinc/carbone) :
puissance insuffisante
• Piles alcalines : décharge régulière
• Piles lithium : faible auto décharge,
longue conservation
Adaptateur alimentation
secteur
• pratique mais non nomade
Batteries rechargeables
(AA) et chargeur de
batterie :
Décharge à allure sigmoïde, avec un long
plateau vers 1,2 V
• Piles Ni-Cd : effet de mémoire
• Piles Ni-MH : pas d’effet de mémoire,
forte capacité (jusqu’à 2600 mAh)
Batterie Li-On et
chargeur de batterie
compacité ; faible effet mémoire ;
recharge rapide, décharge progressive ;
coût élevé, faible durée de vie
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Eclairage
Lumière discontinue
Flash avec batterie
Lumière continue
Flash annulaire
Lampe halogène
tungstène
Torche avec
réflecteur flood
Lampes HMI
(mercure dans l’iode)
Flashs professionnels
Flashs multiples asservis
Lampe fluorescente
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Eclairage : accessoires divers
Diffuseur nid d’abeille
Posemètre/flashmètre
Réflecteur parapluie
Coupes flux et plaques filtres
Boîte à lumière
Fonds
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Eclairage : lumière continue vs. lumière discontinue
Lumière continue
Lumière discontinue (Flash)
Avantages
• visualisation exacte des effets
lumineux souhaités
• pas chers (sauf lampes HMI)
• visualisation exacte des effets lumineux
souhaités pour matériels à lampe témoin
• pas de dégagement de chaleur
• température de couleur presque identique
à la lumière du jour (balance des blancs)
• intensité du flux lumineux réglable,
permettant un grand choix de vitesses et
diaphragmes
Désavantages
• fort dégagement de chaleur (sauf
lampes HMI)
• forte consommation électrique
• modification de la température de
couleur (lampes tungstène)
• chers
• travail à plusieurs flashs nécessite une
synchronisation (systèmes esclaves)
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Filtres
Filtres optiques
Filtres digitaux
Filtres circulaires
Filtres à plaques
(filtres prémontés, vissables sur
objectif)
(adaptateur objectif + plaques en résine,
polyester ou verre )
post-traitement
(ex. plugs-in Photoshop)
www.leefilters.com
• Filtres neutres, de différentes graduations :
- diminuent l’intensité de la lumière (limitent risque de surexposition)
• Filtres colorés :
- modifient la balance spectrale (« réchauffent » ou « refroidissent » la tonalité générale)
• Filtres polarisants :
- renforcent les couleurs et le contraste, diminuent les reflets mais absorbent la lumière
• Filtres à effets (brouillard, rosée, étoile, avec trame, distorsion …)
• Filtres combinés
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sans filtre
avec filtre
neutre
coloré
(corail)
étoile
www.leefilters.com
polarisant
D. Bounie, Polytech'Lille – IAAL, Photographie numérique
Page 35
Le sac et les accessoires photo
(d’après Michael Freeman)
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