Cours : Comment est captée une image ?

Captation d’une image numérique

En photographie argentique, les appareils fixent l’image sur une pellicule. Cette pellicule est ensuite développée et sert de base pour effectuer des tirages photographiques. On retrouve des étapes équivalentes en photo numérique. La première d’entre elles est la captation : elle consiste à recevoir l’image sur un capteur. À cette étape le capteur photographique vient remplacer la pellicule argentique.

Capteur photographique

Les appareils de photographie numérique sont dotés d’un dispositif électronique appelé capteur photographique ou capteur d’image. Cet élément est photosensible, c’est-à-dire qu’il est sensible à la lumière qu’il reçoit par le biais de l’objectif. La lumière est un rayonnement électromagnétique, en partie visible par l’œil humain.

• Le capteur photographique traduit ce rayonnement lumineux en électricité.

On parle de capteur au singulier pour désigner le dispositif de captation des rayonnements lumineux pour l’image entière, mais ce composant de l’appareil photo numérique est en réalité une matrice rectangulaire composée d’une myriade de petits capteurs individuels appelés photosites ou photodiodes.

Définition

Photodiode :

Une photodiode est un composant électronique semi-conducteur qui transforme un rayonnement lumineux en courant électrique.

En captant la lumière, les photosites jouent un rôle équivalent à celui de la pellicule en photographie argentique traditionnelle. Les premières photos argentiques étaient en noir et blanc, et la photo numérique le serait aussi si les photosites étaient utilisés seuls. En effet, le courant électrique créé par un photosite est seulement proportionnel à la lumière reçue, pas à sa couleur. On ne peut mesurer que des nuances de l’intensité lumineuse, qui ne seraient traduisibles qu’en nuances de gris.

Un dispositif complémentaire est donc nécessaire pour pouvoir capter les nuances colorées du spectre lumineux.

Types de capteurs

Les capteurs photographiques des appareils photo numériques les plus répandus sont les capteurs de types CMOS (pour Complementary Metal Oxyde Semiconductor, ou « semiconducteur d’oxyde de métal complémentaire ») et CCD (pour Charge-Coupled Device, ou « dispositif à transfert de charge » en français).

Sans entrer dans les détails techniques de fonctionnement de ces deux familles de capteurs, on retiendra que leurs caractéristiques spécifiques les prédisposent plus ou moins à certains usages.
Ainsi les capteurs de type CCD ont une sensibilité plus élevée à la lumière que les CMOS, mais une vitesse de réponse plus lente et un risque de saturation plus élevé. Les CMOS consomment deux à quatre fois moins d’énergie que les CCD mais ces derniers proposent une dynamique plus élevée et une meilleure sensibilité aux infrarouges et aux ultraviolets.

Qualité du capteur

Les capteurs photographiques peuvent être plus ou moins grands selon le gabarit de l’appareil photo et comporter plus ou moins de photosites. Il paraît assez logique qu’un capteur doté d’un grand nombre de photosites soit plus performant qu’un capteur qui en compte moins, mais le nombre de photosites ne fait pas tout. La taille physique du capteur influence directement la quantité de lumière qui peut être captée par chaque photosite : un capteur plus grand étant en mesure de recevoir plus de photons, il est comparativement plus sensible qu’un capteur de dimension inférieure.

Les différences de taille des capteurs, et donc de surface sur laquelle la lumière pourra être captée, peuvent être très significatives.

Il existe des différences importantes de tailles de capteurs, mais, indépendamment de leur coût, tous ne peuvent pas être embarqués dans tous les appareils. Un smartphone peut difficilement être équipé d’un capteur grand format, contrairement à un appareil réflex numérique haut de gamme, plus volumineux. Toutefois, la performance générale des petits capteurs modernes est très largement suffisante pour des besoins courants.

La qualité des éléments optiques et des algorithmes de traitement du signal lumineux ont aussi une influence non négligeable sur la qualité de la captation réalisée par l’appareil. Ainsi, certains appareils dotés d’une importante quantité de photosites peuvent être supplantés par des appareils ayant moins de photosites, mais ayant de meilleurs éléments optiques ou de meilleurs algorithmes.

Filtrage des couleurs captées

Plusieurs techniques existent pour filtrer les couleurs captées. La plus répandue est le filtre de Bayer, parfois appelé grille de Bayer ou encore matrice de Bayer. Elle porte le nom de son inventeur, Bryce Bayer, qui travaillait dans l’entreprise photographique Kodak lorsqu’il l’a mis au point dans les années 1970.

Définition

Filtre de Bayer :

Le filtre de Bayer consiste en une mosaïque de filtres de couleurs qui recouvre le capteur et ne laisse passer que la couleur voulue (rouge, verte ou bleue) au-dessus de chaque photosite.

La matrice de Bayer présente la particularité de comporter deux fois plus d’éléments de couleur verte que de couleur bleue ou rouge pour se rapprocher de la perception des couleurs par l’œil humain, particulièrement réceptif aux teintes à dominante verte.

Lorsque la lumière transmise par l’objectif atteint le filtre de Bayer, il laisse passer sélectivement certaines couleurs qui sont reçues par les photosites situés en dessous.

• La caractérisation d’un pixel sera ainsi le résultat du traitement d’informations issues de quatre photosites répartis en deux rangées de deux photosites et surmontés de filtres de couleurs.

Construction de l’image numérique

Les photosites du capteur photographique transforment les rayonnements lumineux en courants électriques. Ces signaux analogiques sont amplifiés puis transformés par un convertisseur analogique-numérique pour pouvoir former l’image sous forme de pixels.

• La tension électrique captée est convertie en bits informatiques.

Un certain nombre de traitements, et notamment de filtres, peuvent être appliqués à ce stade pour traiter et corriger les signaux en fonction des caractéristiques des capteurs.

L’image numérique est composée de matrices colorées. Elles contiennent les valeurs d’intensité relevées pour chacune des couleurs primaires (rouge, vert et bleu).

• La réunion de ces informations permet de définir la couleur de chaque élément ou pixel de l’image.

Le format d’image fourni à l’utilisateur dépend des fonctionnalités de l’appareil. Si un appareil photo numérique grand public ou un smartphone fournissent généralement des images prêtes à l’emploi au format JPEG, les appareils de photographie numérique plus élaborés fournissent des données images en format RAW, offrant ainsi davantage de possibilités de traitements en vue d’obtenir des images optimisées.

À retenir

Le capteur photographique est composé de nombreuses photodiodes qui traduisent le rayonnement lumineux en électricité. Des filtres colorés permettent de mesurer l’intensité lumineuse des couleurs primaires. Les signaux électriques analogiques qui en résultent seront ensuite convertis en données numériques à partir desquelles il sera possible d’obtenir une image numérique.

Maintenant que nous savons comment l’appareil réalise la captation de l’image, intéressons-nous aux algorithmes qui facilitent la prise de vue par le photographe.

Aides à la prise de vue

Si les appareils photo argentiques de la fin du vingtième siècle disposaient déjà d’un certain nombre de fonctions d’assistance à la prise de vue, le passage à la photo numérique a contribué à leur développement et à leur enrichissement. De nombreux modes de fonctionnement répondant aux usages courants sont proposés : s’il le souhaite, l’utilisateur peut se reposer entièrement sur la capacité de l’appareil photo à effectuer une détection intelligente du contexte (portrait, paysage, gros plan…). Les réglages sont automatiquement optimisés pour le contexte détecté ou choisi, et le photographe n’a plus qu’à appuyer sur le déclencheur.

Dans certains cas l’appareil prend également l’initiative d’effectuer plusieurs photos pour pouvoir ensuite sélectionner la meilleure, ou composer une photo améliorée à partir des différentes photos individuelles. Examinons maintenant différentes aides courantes à la prise de vue.

Mise au point

La mise au point permet de régler la distance focale pour déterminer quel plan sera net sur la photographie.

La mise au point automatique (appelée autofocus en anglais) fait partie des fonctionnalités de base des appareils photo numériques. Cette technique a été conçue dans les années soixante et commercialisée dans les années soixante-dix sur les appareils argentiques. Le réglage de l’objectif était initialement conçu pour régler automatiquement la netteté à partir d’un point central. Cette netteté au centre de l’image obligeait les photographes à centrer leurs sujets, limitant les possibilités de composition photographique.

Ces fonctionnalités se sont ensuite perfectionnées pour effectuer une mise au point automatique à partir d’un ensemble de capteurs en différents points de l’image. Les appareils photo numériques proposent désormais cette fonctionnalité en standard.

On distingue deux principaux types de systèmes de mise au point automatique :

• les systèmes actifs, qui nécessitent l’émission de lumière, généralement infrarouge, ou d’ultrasons, pour mesurer la distance entre l’appareil et le sujet visé ;
• les systèmes passifs, qui se contentent d’analyser la lumière reçue.

Quel que soit le système employé, l’appareil réalise une mise au point automatique en fonction de son paramétrage. Cette fonctionnalité peut aussi être couplée avec d’autres aides à la prise de vue.

• Ainsi la détection automatique de visages peut conduire à effectuer la mise au point sur ceux-ci plutôt que sur des points aléatoires répartis sur l’image.

Contrôle d’exposition

Définition

Exposition (photographie) :

L’exposition fait référence à la quantité de lumière reçue par le capteur d’un appareil photo.

L’exposition dépend de plusieurs réglages de l’appareil : le temps et le diamètre d’ouverture du diaphragme et la sensibilité du capteur.
Il est possible de régler ces paramètres manuellement, mais il existe également des modes automatiques, ou semi-automatiques permettant de donner la priorité à l’ouverture ou à la vitesse, et donc de permettre à l’utilisateur de forcer leur valeur. Dans ce cas, les autres paramètres sont ajustés par rapport à cette priorité.

Après avoir mesuré l’exposition, l’appareil peut déterminer une exposition moyenne qui permet d’optimiser le nombre de points de l’image bénéficiant d’une exposition correcte.

Toutefois dans certaines conditions le mode automatique n’est pas toujours adapté ni suffisant pour obtenir une image correcte. Il est parfois possible d’améliorer le rendu grâce à la technique de l’exposition en fourchette.

Exposition en fourchette

L’exposition en fourchette, parfois appelée prise de vue en fourchette ou bracketing d’exposition consiste à réaliser plusieurs prises de vue successives d’une même scène en faisant varier la durée d’exposition. Cela permet de compenser partiellement les limitations des capteurs, qui ne peuvent capturer qu’une plage relativement limitée d’intensités lumineuses.

Popularisée par les applications de rendu HDR (High Dynamic Range ou « imagerie large gamme » en français), cette technique se pratiquait déjà en photo argentique depuis le XIX^e siècle.

En prenant plusieurs clichés distincts d’une même scène pour lesquelles on fait varier l’exposition on obtient un ensemble de photos complémentaires : certaines seront moyennement exposées, d’autres surexposées et d’autres encore sous-exposées. Les écarts d’intensité lumineuse peuvent ainsi être captés aussi bien dans les parties claires pour certaines photos que dans les parties sombres pour d’autres.

• La fusion logicielle de ces photos individuelles couvrant des fourchettes d’expositions distinctes permet de composer une image dotée d’une plus grande gamme dynamique que celle initialement permise par le capteur.

L’image ainsi composée à partir des photos individuelles matérialise plus précisément les écarts d’intensité lumineuse à la fois dans les parties claires et dans les parties sombres de l’image.

Le bracketing est principalement connu pour le temps d’exposition, mais il peut tout aussi bien s’appliquer à d’autres paramètres des prises de vue, la mise au point ou encore la balance des blancs.

Empilement de mises au point

Appliqué à la mise au point, le bracketing est souvent désigné par l’expression focus stacking, que l’on peut traduire par « empilement de mises au point ». Ce procédé est notamment utilisé en macrophotographie pour obtenir une netteté de la totalité du sujet photographié, ce qui est difficile voire impossible à obtenir par un seul réglage de l’objectif. Pour contourner le problème, le sujet est photographié avec plusieurs réglages de mise au point légèrement décalés qui comportent chacun des zones nettes.

• Un traitement logiciel de fusion des photos individuelles permet de produire une image nette sur l’ensemble du sujet.

Stabilisation

La stabilisation constitue elle aussi une aide précieuse pour le photographe. Cette technique consiste à compenser les tremblements du photographe. Ceux-ci peuvent être détectés par des accéléromètres ou des gyromètres intégrés à l’appareil, et au moins partiellement compensés par des mouvements commandés du capteur ou de la lentille d’objectif. Il est également possible d’effectuer un traitement logiciel de l’image au prix d’un léger recadrage de celle-ci.

Les appareils modernes proposent diverses assistances destinées à faciliter la prise de vue et en améliorer la qualité. De nombreux paramètres et réglages entrent en jeu. Il peut s’avérer utile d’en conserver la trace pour les connaître ou les retrouver a posteriori. C’est le rôle des métadonnées des images numériques, que nous allons aborder maintenant.

Métadonnées des images numériques

Les métadonnées, parfois appelées données d’accompagnement, sont des données sur les données. Dans le contexte de la photographie numérique, nous nous intéressons plus particulièrement au format de métadonnées Exif.

Format Exif

Exif signifie « Exchangeable image file format », que l’on pourrait traduire par format de fichier image échangeable. Initialement défini par l’association japonaise pour le développement de produits électroniques JEIDA, ce format a connu différentes évolutions. Il est aujourd’hui supporté par la plupart des fabricants d’appareils de photographie numérique et d’appareils embarquant des capteurs photo tels que les smartphones.

Nature des données Exif

Les métadonnées portent principalement sur les conditions de prise de vue. On retrouve en effet :

• la date et l’heure de la prise de vue ;
• la marque et le modèle de l’appareil de prise de vue ;
• les réglages spécifiques à l’image (vitesse, ouverture, sensibilité, longueur focale, orientation) ;
• le lieu de prise de vue si l’appareil est équipé ou couplé avec un dispositif GPS ;
• une miniature de l’image permettant la prévisualisation de l’image (par exemple dans un explorateur de fichiers) ;
• des informations de copyright.

Les appareils de photographie numérique incluent automatiquement ces métadonnées avec l’image. Ce n’est pas anodin dans la mesure où elles sont suffisamment précises pour éventuellement révéler des informations sur le contexte de réalisation du cliché.

Édition des données Exif

Ces données rattachées à la prise de vue n’ont pas vocation à être modifiées, même si certains logiciels spécialisés permettent techniquement de le faire. Il est également possible, avec certains logiciels, de supprimer ces métadonnées.

Cette précaution peut s’avérer judicieuse avant de partager des images numériques. De nombreuses plateformes en ligne, et notamment les principaux réseaux sociaux, font automatiquement disparaître les métadonnées éventuellement présentes dans les fichiers téléversés par les utilisateurs.