V.SENSIBILITE ET VITESSE D'OBTURATION.

Chapitre précédent. Evaluation. Chapitre suivant.

V.1.EXPOSE DE LA PROBLEMATIQUE:

V.1.1.INTRODUCTION:

Les chapitres précédents nous ont permis d'aborder les modalités qui permettent d'obtenir une image correspondant à nos intentions et de bien la positionner par rapport au panneau photosensible de l'appareil. Il s'agit maintenant de capter et d'enregistrer cette image. A ce stade, nous disposons d'une image physique, fournie par l'objectif et possédant certaines caractéristiques (netteté, luminosité, contraste, etc.). Dans un appareil numérique, cette image est projetée sur les photosites. Chacun de ceux-ci se charge de convertir l'intensité lumineuse qu'il reçoit en signaux électriques analogiques. L'électronique de bord se charge de convertir ces informations en signaux digitaux, avant de les enregistrer sous forme de fichiers sur la carte mémoire.

Avec un appareil argentique, l'émulsion, exposée un certain temps à la lumière constituant l'image, réagit chimiquement. L'intensité de la réaction en chaque point de la pellicule est fonction de l'intensité de la lumière en ce point, de la durée d'exposition et de la sensibilité de cette pellicule. Elle permet d'enregistrer l'image sur un support (papier, diapositive), moyennant les traitements chimiques de révélation et de fixation. Pour ne pas obtenir un cliché sous exposé, ou au contraire, surexposé, la sensibilité de la pellicule et sa durée d'exposition doivent être choisies de façon à s'adapter à la luminances de l'image.

Nous avons vu au chapitre II que sur un appareil numérique, chaque point de l'image est capté au moyen de photosites. Ces diodes électrosensibles fournissent un courant électrique dont l'intensité est fonction de la luminance d'une des composantes (rouge, verte ou bleue) de la lumière en ce point. La quantité d'électricité produite est donc fonction de la luminance et de la durée d'exposition du photosite. Pour enregistrer une image, l'électronique de bord doit, dans un premier temps, convertir la quantité d'électricité fournie par chaque photosite pendant la durée d'exposition en une valeur numérique, puis enregistrer ces valeurs dans une mémoire non volatile (carte mémoire). La quantité d'électricité délivrée est enregistrée dans un "octets", c'est à dire sous forme d'un nombre de 8 chiffres binaires (ou bits): elle ne peut donc prendre que 256 valeurs, de 0 à 255. Il faudra donc étalonner la conversion analogique-digitale de façon à ce que ces 256 valeurs puissent englober la totalité de la plage de variation de la luminance dans l'image(O représentant le noir, 255 représentant la plus forte luminance). Nous nous trouverons donc confrontés, comme dans le cas de l'argentique, aux problématiques du réglage de la DUREE D'EXPOSITION et de la SENSIBILITE du système de captage de l'image.

V.1.2.IMPORTANCE DES REGLAGES DE DUREE D'EXPOSITION ET DE SENSIBLITE:

Les réglages de DUREE D'EXPOSITION et de SENSIBILITE interviennent directement sur le paramétrage de la conversion analogique-digitale. Ils conditionnent par là même la LUMINOSITE et le CONTRASTE de l'image à enregistrer. En effet:

D'une part, plus la durée d'exposition des photosites à la lumière est longue, plus la quantité d'électricité produite pendant cette durée sera importante, ce qui augmentera la LUMINOSITE de l'image captée.
D'autre part, le réglage de la sensibilité va permettre de déterminer le rapport entre la quantité d'électricité fournie par chaque photosite pendant l'exposition et la valeur digitale résultant de la conversion de cette quantité. Ceci permettra d'augmenter la "plage de luminosité" de l'image captée, c'est à dire son CONTRASTE.

La durée d'exposition et la sensibilité peuvent être contraintes par la nature du sujet à photographier:

Dans le cas d'un sujet en mouvement, l'obtention d'une bonne netteté exige un temps d'exposition d'autant plus bref que les vitesses sont élevées. Cependant, une faible durée d'exposition diminue la quantité d'électricité fournie par les photosites et peut contraindre à augmenter leur sensibilité, ce qui n'est pas sans inconvénient.
Dans le cas d'une photographie faite avec un faible éclairement, il faudra soit augmenter le temps d'exposition de façon à obtenir en sortie des photosites une quantité d'électricité suffisante (ce qui est gènant dans le cas d'un sujet en mouvement), soit augmenter la sensibilité, avec les réserves faites ci-dessus.

Les faibles ouvertures diminuent l'intensité lumineuse de l'image fournie par l'objectif. De ce fait, elles peuvent nécessiter un rallongement des durées d'exposition ou une augmentation de la sensibilité qui ne sont pas sans créer des problèmes, suivant la nature du sujet.

V.2.ASPECT TECHNIQUE:

V.2.1.DUREE D'EXPOSITION (VITESSE D'OBTURATION):

DISPOSITIFS D'OBTURATION:

Nous avons vu au chapitre II que la DUREE D'EXPOSITION était contrôlée par un dispositif appelé "OBTURATEUR". De ce fait, elle est souvent appelée VITESSE D'OBTURATION ou même TEMPS DE POSE.

Les boîtiers reflex sont équipés d'obturateurs "à rideaux". Ce dispositif est constitué de deux panneaux coulissants qui, au moment du déclenchement, passent l'un après l'autre devant les photosites. L'intervalle physique entre les deux panneaux laisse passer une bande lumineuse qui balaie le panneau de photosites. Ce dispositif permet d'obtenir des vitesses d'obturation très rapides. Les appareils compacts sont souvent équipés d'obturateurs intégrés à l'objectif (obturateurs "focaux"), qui fonctionnent plutôt comme des diaphragmes. Ce système ne permet pas des vitesses d'obturation aussi rapides.

CONTROLE DE L'OBTURATION:

En MODE AUTOMATIQUE, le réglage de la vitesse d'obturation est pris en charge par l'électronique de bord, en fonction des luminances mesurées en divers endroits du panneau de photosites et de la sensibilité affichée. En revanche, l'aspect dynamique n'est pas prise en compte. De ce fait, le résultat n'est pas forcément garanti dans le cas d'un sujet en mouvement.

En MODE PRIORITE A LA VITESSE (mode semi-automatique), le réglage de la vitesse est paramétré manuellement par le photographe. L'électronique de bord règlera en conséquence les autres paramètres (ouverture, sensibilité). Ce mode permet de traiter les sujets en mouvement, mais aussi les cas où la luminosité exige des temps de pose exceptionnellement élevés. En effet, les réglages automatiques (même les réglages de type "scènes") ne permettent pas de s'adapter à des situations exigeant des temps de pose supérieurs à quelques secondes.

En MODE MANUEL, il faudra régler simultanément la vitesse d'obturation, l'ouverture et la sensibilité, de façon à obtenir un réglage compatible avec l'effet recherché. En général, les petites ouvertures imposent des vitesses d'obturation lentes (ou une augmentation de la sensibilité). La vitesse d'obturation se note:

En fractions de secondes pour les durées inférieures à la secondes (ainsi, la valeur 250 apparaîssant dans le viseur indique une durée d'exposition de 1/250^eme de seconde/
En secondes pour les durées supérieures à la secondes (ainsi, la valeur 2 apparaîssant dans le viseur indique une durée d'exposition de 2 secondes)

REMARQUES:

- On peut noter que, dans le cas d'un sujet en mouvement, le choix d'une grande vitesse d'obturation ne donne pas forcément la meilleure impression. En effet, l'image sera très nette mais apparaîtra "figée" et ne rendra pas compte du mouvement. Une vitesse plus lente produira une moins grande netteté, avec l'apparition de trainées, mais celles-ci, si elles ne sont pas exagérées, sont susceptibles de restituer beaucoup plus la fluidité et l'impression de mouvement.

- Si l'on emploie un flash, l'obturation doit être synchronisée avec la période d'éclairement de celui-ci. Il existe divers modes de déclenchement des flash qui peuvent souvent être programmés sur les appareils (voir les notices).

V.2.2.SENSIBILITE:

MECANISME DE CONVERSION:

D'un point de vue technique, le mécanisme de réglage de la sensibilité agit sur le système de conversion de la quantité d'électricité fournie par les photosites pendant l'exposition en une valeur digitale. Nous avons vu au chapitre II que la lumière atteignant chaque pixel de l'image était dans un premier temps dissociée en 3 composantes (rouge, vert et jaune) correspondant à la synthèse additive de la teinte, puis que chaque composante était captée au moyen de photosites. A la sortie de ce dispositif, 3 signaux électriques sont disponibles, l'intensité de chacun représentant les intensités lumineuses respectives des trois composantes.

Pour chaque composante, les quantités d'électricité produites pendant la durée de l'exposition sont cumulées (Ces quantités dépendent donc de l'intensité fournie par le photosite et de la durée d'exposition). En fin d'exposition, la conversion de ces quantités en une valeur digitale codée sur 1 octet est déclenchée. En fin de conversion, un pixel sera représenté par 3 valeurs de 0 à 255, une pour le rouge, une pour le vert, une pour le bleu. Ce codage est appelé "couleurs vraies".

EXEMPLE:

Soit le pixel codé en couleurs vraies par: rvb(210, 230, 40). Ceci signifie que l'intensité de la composante rouge est représentée par 210, celle de la composante verte par 230 et celle de la composante bleu par 40. Comme la valeur maximale est 255, les composantes rouge et vertes seront les plus importantes, ce qui produira, par synthèse additive, une teinte jaune tirant sur le vert.

La représentation digitale de la valeur des composantes étant limitée à l'intervalle [0, 255], la conversion nécessite dans un premier temps de définir la plage des valeurs qui pourront être représentées, c'est à dire les quantités Q_min et Q_max qui correspondront respectivement aux valeurs numériques 0 et 255. Entre ces valeur, la correspondance entre quantité d'électricité et intensité exprimée en digital doit être déterminée à l'aide d'une fonction mathématique adéquate. Les valeurs supérieures à Q_max correspondront toutes à la valeur 255. Les valeurs inférieures à Q_min correspondront toutes à la valeur digitale 0:

Le réglage de la sensibilité en photographie numérique consistera donc à déterminer l'intervalle [Q_min, Q_max] et la fonction correspondant à la courbe orange du schéma ( fonction N = F(Q) ).

REGLAGE EN MODE AUTOMATIQUE:

L'informatique embarquée détermine l'intervalle [Q_min, Q_max] automatiquement en utilisant les valeurs brutes fournies par les photosites pour déterminer l'éclairement minimal et l'éclairement maximal de l'image. La fonction N = F(Q) est déterminée en fonction de plusieurs paramètres, en partie dépendants du type de panneaux photosensible utilisé ou du type de prise de vue (si l'on utilise un mode "scène").

REGLAGE EN MODE MANUEL:

Les appareils évolués offrent souvent la possibilité de régler manuellement la sensibilité. Comme dans le cas de l'argentique, le réglage manuel se traduit par une échelle de sensibilité exprimée en ISO (en fait, en "équivalent ISO"). Les valeurs de sensibilité à utiliser correspondent à peu près au tableau suivant:

SENSIBILITE ISO	UTILISATION
100 ISO	Scènes d'extérieur avec un bon éclairage ou photos d'intérieur avec flash (c'est la sensibilité "standard")
200 ISO	Scènes d'extérieur, de jour mais éclairage faible ou photos d'intérieur sans flash
400 ISO	Scènes d'intérieur avec éclarage faible, sans flash
800 ISO	Scènes avec éclairage très faible, sans flash. Scènes de nuit, etc.

REMARQUE:

Sur le schéma N° 24 ci-dessus, le réglage manuel reviendrait à décaler l'intervalle [Q_min, Q_max] vers la gauche ou vers la droite. Comme le montre le schéma ci-dessous, un décalage à gauche, entraînant un choix de valeurs Q_min et Q_max plus petites, provoque une augmentation de la SENSIBILITE. En effet, pour une même quantité d'électricité Q fournie par le photosite, la valeur digitale N' correspondant à la courbe bleue décalée à gauche est plus forte que la valeur N fournie par la courbe de droite. Le rapport N/F(Q) qui est un "coefficient d'amplification" augmente donc.

PROBLEME DU SIGNAL SUR BRUIT:

Tout capteur, quel qu'il soit, peut délivrer un signal en l'absence de toute excitation. Un photosite n'échappe pas à la rêgle: même dans le noir absolu, on observera à la sortie un petit courant résiduel. Les raisons d'un tel phénomène sont multiples (induction provoquée par l'environnement électromagnétique, échauffement, etc.). Les caractéristiques de ce courant électrique sont d'une part qu'il varie de façon aléatoire et d'autre part que son intensité est très faible et indépendante de l'intensité de l'excitation du capteur. C'est pour cette raison qu'on appelle un tel signal un "bruit" sur la mesure.

Le bruit se superpose donc à la mesure. Comme le bruit est toujours de faible intensité, ceci n'est pas très grave si la valeur de la mesure est beaucoup plus élevée que la sienne (rapport SIGNAL/BRUIT élevé). En choisissant bien Q_min, il est même possible de l'éliminer.

En revanche, lorsqu'on travaille avec des éclairages faibles, ceux-ci produisent des intensités peu élevées à la sortie des photosites. Le rapport Signal/bruit devient alors faible. Pour augmenter la sensibilité, il faudra donc décaler l'intervalle [Q_min, Q_max] vers les petites valeurs de Q, ce qui augmentera la valeur N pour une quantité Q donnée. Cette effet "amplificatif" agira sur le signal mais aussi sur le bruit, qui pourra devenir visible, sous la forme d'une impression de poussière sur l'image et même de mouchetages de points gris clair. De plus, la saturation interviendra pour des éclairements plus faibles.

Ce phénomène constitue la principale limitation à l'emploi de sensibilités élevées.

Chapitre précédent. Evaluation. Chapitre suivant.