La photographie numérique, son histoire et fonctionnement d'un APN

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

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

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

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

Sa programmation (écriture, effacement) s'effectue par l'application de différentes tensions qui finissent par abîmer le substrat, ce qui explique qu'elle ne peut-être programmée ou effacée qu'entre cent mille et un million de fois.

SanDisk par exemple offre 5 ans de garantie sur ses cartes CompactFlash. En d'autres termes, ils garantissent la fiabilité du support à concurrence de 50 à 500 images/jour durant 5 ans, ce que très peu de photographes réalisent (un photographe très actif réalise jusqu'à 30000 images/an). En cas de problème hardware n'hésitez pas à faire jouer la garantie. Pour prévenir cette éventualité achetez plusieurs cartes mémoires et alternez-les en gardant à l'esprit qu'elles ont une durée de vie limitée, mais qui supérieure à la durée de vie des CD et autres disques optiques.. On y reviendra.

En 2014, les formats les plus répandus sont par ordre d'importance le Secure Digital (cartes SD, SDHC et SDXC, 32x24 mm), le Micro Secure Digital ou Transflash (carte MicroSD, 15x11 mm), le CompactFlash (43x36 mm), suivi loin derrière par le Multi Media Card (MMC, 32x24 mm), le Smart Media (SM, 45x37 mm) et le Memory Stick (MS, 21.5x2.8 mm) dont il existe différentes tailles. Ce marché est en constante évolution.

Voyons à présent en détail les spécifications des principaux formats utilisés dans les APN.

Les cartes CompactFlash (CF) sont les plus anciennes. Elles ont été inventées par SanDisk (qui s'appelait alors Sundisk) en 1994 et offrent une compatibilité totale avec le format PCMCIA-ATA. Ce standard est aujourd'hui ouvert, ce qui a permis sa diffusion dans tous les secteurs de l'industrie allant de l'informatique à la robotique en passant par la vidéo et l'imagerie.


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

Les CF se divisent en deux modèles : le Type I et le Type II qui se différencient uniquement par leur épaisseur (3.3 et 5 mm). Une CF Type I peut s'installer indifféremment dans un slot de Type I ou de Type II tandis qu'une carte CF de Type II ne peut s'installer que dans un slot de Type II.

Les CF présentent une capacité variant entre 2 MB et 128 GB pour une capacité théorique maximale (norme 2.0) de 137 GB.

Les CF de grande capacité, supérieure à 2 GB sont formatées en FAT32. Rassurez-vous, depuis les PC tournant sous NT et les Mac G3, tous les ordinateurs supportent ce type de partition, de même que UNIX, Linux et SunOS, au même titre que la partition classique FAT.

L'un des risques des CF est que l'une des 50 pins du bus de l'APN ou du lecteur se plie lors de l'enfichement de la carte, obligeant souvent l'amateur à renvoyer son appareil en maintenance.

Les cartes flash SD (Secure Digital) sont apparues en janvier 2000 suite à un accord entre Panasonic, SanDisk et Toshiba. Depuis, les spécifications ont été normalisées par la SD Association.

Les cartes SD ont la même dimension que les cartes MMC (32x24 mm) et sont compatibles avec celles-ci. Elles offrent l'avantage de supporter l'encryption (codage des données). Ici également il existe une version haute capacité, la carte SDHC (Secure Digital High Capacity) qui peut atteindre 64 GB mais dont le débit ne dépasse pas 45 MB/s (2011).

Autre avantage de la carte SD, les contacts placés dans l'APN sont à l'abri de tout endommagement contrairement aux contacts (pins) de la CF.

Depuis 2009, la norme SDXC (Secure Digital eXtended Capacity) remplace la norme SDHC. Ces cartes mémoires permettent de stocker jusqu'à 2 TB de données (2000 GB). Autrement dit, une seule carte SDXC permet de stocker 100 films en haute définition, 60 heures d'enregistrement HD ou encore 5500 images de 12 Mpixels !

Pour mémoire, notons que depuis 2005 il existe également un standard microSD (Micro Secure Digital Card) dont les cartes flash mesurent 15x11 mm. Elles équipent principalement les appareils mobiles : smartphone, GPS, tablette, etc.

Notons qu'aujourd'hui la plupart sinon tous les APN reflex et compacts supportent les cartes SD/SDHX/SDXC au détriment des cartes CF, au grand dam de certains photographes qui ont parfois besoin de cartes à très haut débit. Mais avec le temps, les normes évoluent et de nouveaux standards apparaissent.

Enfin, si votre ordinateur ne dispose pas du port adéquat, il existe des adaptateurs USB acceptant les cartes SD, microSD et MMC ou des lecteurs universels (multiformats dit "16 en 1").

Il s'agit de deux formats adaptés aux images en haute définition et vidéos HD 4K qui ont tendance à concurrencer les cartes SD et autre SDXC et vont probablement les remplacer à terme.

Annoncées en 2010, les cartes flash au standard XQD 2.0 remplacent les CF classiques. Leur capacité actuelle atteint 2 TB. Le format étant récent, seuls les APN professionnels ou de milieu de gamme (Canon EOS 1D, Nikon D4 et D5, Sony Alpha 900, etc) supportent les cartes XQD.

Les cartes flash au format CFast 2.0 sont concurrentes des cartes XQD et furent intoduites sur le marché en 2012.

Nosu verrons un plus bas les performances de ces différentes cartes en écriture et lecture.

Les microdrives sont des cartes CF de Type II mais disposant d'un disque dur magnétique de 1". Ils sont également acceptés par les APN et sont lisibles dans un lecteur externe CompactFlash II.

IBM puis Hitachi ont vendu des cartes microdrives de 1 GB à 8 GB. Mais depuis 2007, ce marché est vagabond bien que quelques vendeurs proposent encore des lecteurs de microdrive.

En effet, les microdrives sont plus lents que les CF qui ne sont déjà pas très rapides comparés à un disque dur conventionnel. Comme les disques durs, les microdrives ont le défaut de devenir très chauds en cours d'utilisation. Enfin, leur encombrement et leur plus grande fragilité que les cartes SD notamment les ont définitivement disqualifiés.

La carte mémoire doit être formatée comme un disque dur ou une disquette et supporte généralement les partitions FAT16 et plus récemment FAT32 et exFAT.

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

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

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

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

Etant donné la taille imposante des images en haute définition et les capacités vidéos HD des APN récents, il est important que ces derniers supportent un taux de transfert élevé (en écriture) et utilisent des cartes mémoires également rapides au risque de pénaliser la vitesse des prises de vues en mode rafale et vidéo et accessoirement le temps de téléchargement sur ordinateur.

Prenons l'exemple du Nikon D7000 de 16.3 Mpixels sorti en 2010. Son mode rafale atteint 6 images/seconde et il supporte de la vidéo HD en 24 images/seconde en PAL. Le débit ou throughput à atteindre pour saturer le bus interface de l'APN est de 6 x 16 Mpixels soit environ 100 Mpixels/s ou 12 MB/s. Notons que le taux de transfert en lecture est deux fois plus rapide qu'en écriture.

Ainsi que nous l'avons expliqué précédemment, sachant que chaque image RAW de 14 bits/pixel occupe jusqu'à 28.1 MB (24.1 MB en mode RAW12), on arrive à un débit de 6x28.1 soit 169 MB/s (113.2 MB/s en RAW12) en écriture sur la carte Flash si on veut que le buffer se vide aussi rapidement qu'il se remplisse !

La SD Association a developpé des standards de taux de transfert pour les cartes SD, SDHC et SDXC : les classes 2, 4, 6 et 10 dont les débits sont respectivement de 2, 4, 6 et 10 MB/s. Progrès oblige, aujourd'hui ces taux de transfert sont largement insuffisants pour supporter les débits élevés des APN de plus de 10 Mpixels en mode rafale ou munis de capacités vidéo HD.

Depuis quelques années, il existe des cartes CF et SDHC/SDXC de 16, 32 et 64 GB de classe 10 garanties jusque 95 MB/s. Leur prix reste toutefois élevé. Ceci dit, ce débit accepte sans problème des tirs en rafales jusque 8 fps durant plusieurs minutes, ce qu'aucune carte SD ne supportait jusqu'en 2010.

Depuis 2010, la SD Association a définit une nouvelle classe de vitesse, UHS ou Ultra High Speed, à la norme SD 3.0 adaptée aux cartes SDHX et SDXC et microSDHC. Il existe plusieurs normes : UHS-I dont le taux de transfert atteint 104 MB/s et l'UHS-II qui atteint 300 MB/s. Ces deux normes supportent le mode rafale en HD de manière continue.

Des symboles concernant le taux de transfert de ces cartes ont également été définis. Comme on le voit à gauche, le symbole I (de UHS-I) signifie que le bus d'interface supporte un débit jusque 104 MB/s. Le symbole U contenant le chiffre 1 (Vitesse UHS de classe 1) signifie que la carte supporte un débit d'au moins 10 MB/s.

Enfin, les cartes XQD 2.0 présentent un débit théorique de 400 MB/s (350 MB/ en pratique en écriture) tandis que les cartes CFast 2.0 atteignent en théorie 600 MB/s (450 MB/s en pratique en écriture) pour des performances garanties de 128 ou 130 MB/s en vidéo HD 4K.

Plusieurs fabricants supportent ces standard pour citer Integral, Kingston, Lexar, Sony, SanDisk et Transcend parmi les marques les plus fiables.

Qu'est-ce que tout cela signifie pour l'amateur ? Concrètement, pour les APN jusqu'à 4 Mpixels le taux de transfert n'est pas très important et l'amateur peut se contenter de cartes Flash de classe 2 du fait que le débit est limité à 0.2-1 MB/s.

Pour ne pas pénaliser le système, pour une définition de 5 ou 6 Mpixels on préconise un taux de transfert d'environ 7.5 MB/s. A partir de 8 Mpixels, le taux de transfert doit être supérieur à 12 MB/s. Au-delà de 10 Mpixels et certainement en vidéo HD il est impératif d'utiliser les cartes les plus rapides (au moins 45 MB/s).

Notons que même en utilisant une carte SDHC de Classe 6 "standard", le bus d'interface sera saturé avec un tir en rafale de 10 à 15 images de 16 Mpixels. Dans ces conditions, vous devrez utiliser une carte de classe 10 voire UHS ou le nouveau format XQD si l'APN le supporte.

Le transfert des images vers l'ordinateur est assuré soit directement par une liaison USB 2.0 ou USB 3.0 à haut débit ou Firewire, un câble reliant l'APN à l'ordinateur, soit en utilisant un lecteur de carte externe également relié à l'ordinateur par une liaison USB, Firewire, IDE, PCMCIA ou encore un bridge Firewire-IDE. Dans ce cas, le lecteur de carte est vu par le système comme étant un disque amovible et vous pouvez le manipuler comme n'importe quel lecteur.

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

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

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

Taux de transfert théoriques des principales interfaces

SD 3.0 :

Firewire 800 (IEEE 1394b):

Firewire 400 (IEEE 1394) :

PCMCIA-ATA (CF) :

PCI :

XQD 2.0

CFast 2.0

104 MB/s

100 MB/s

50 MB/s

132 MB/s

440 MB/s

600 MB/s

USB 3.0 :

USB 2.0 :

USB 1.0 :

Thunderbolt 3 :

Thunderbolt 2 :

Thunderbolt :

600 MB/s

1.5 MB/s

60 MB/s

5 GB/s

2.50 GB/s

1.25 GB/s

Notons que les constructeurs préfèrent les grands nombres et les unités standards. Ils parlent donc en mégabits par seconde (Mbps). Qu'à cela ne tienne, on multiple par 8. Ainsi le port USB 2.0 transfert à 1.5 MB/s soit 12 Mbps, en théorie.

L'interface Thunderbolt est utilisée comme port d'entrée-sortie sur les MacBook Pro d'Apple depuis 2011, certains PC Dell, Asus, HP et Lenovo parmi d'autres. Cette technologie à fibre optique est basée sur le Light Peak d'Intel. Le standard XQD 2.0 est utilisé dans les APN de milieu et haut de gamme de dernière génération.

Mais oubliez immédiatement ces chiffres théoriques de taux de transfert, car en pratique ils sont généralement entre 10% et... 10 fois inférieurs aux valeurs théoriques !

Ainsi, le bus Firewire IEEE 1394 dont on s'attend à ce qu'il transfert les images à un taux de 50 MB/s (400 Mbps) plafonne en pratique entre 0.5 et 4.2 MB/s selon le périphérique, à peine mieux qu'une carte CF !

L'USB 3.0 est à peine meilleur mais son débit dépend du fabricant. Selon l'utilitaire Parkdale, une clé USB 3.0 Transcend de 64 GB par exemple transfert des blocs de 1 MB à 30 MB/s en écriture et 84 MB/s en lecture alors qu'une Super Talent USB 3.0 est 2.5x plus rapide. Une clé Integral USB 2.0 présente un taux de transfert de 20 MB/s en écriture (voici une photo de ces clés USB). Ces valeurs ne dépendent quasiment pas des ressources systèmes ou de l'activité du processeur.

Celui qui vous dit qu'il obtient un taux de transfert de 500 MB/s sur une clé USB 3.0, regardez-le bien de travers car il n'a jamais fait l'essai et se base uniquement sur des lectures théoriques, ce à quoi les constructeurs essayent aussi de nous faire croire ! Malheureusement une interface n'est jamais isolée de son périphérique, de son support ou de son logiciel de gestion et il faut bien tenir compte de cette réalité.

Ces logiciels mesurent la vitesse de transfert d'un file system, d'une carte SD, d'un disque dur, lors d'une copie, etc.

Le port USB 2.0 soi-disant très rapide est finalement celui qui est le plus lent. Quand vous aurez 100 images de 5 MB à transférer de votre APN vers votre ordinateur, vous laisserez vite tomber le port USB ! Installé dans un lecteur externe, il transfert une image binaire à raison de 0.5 à 2.1 MB/s (1.4 MB/s pour transférer 170 MB depuis un lecteur CF) et plafonne à 2.6 MB/s lorsqu'il est installé dans un APN. C'est très lent comparé au taux de transfert réels des cartes Firewire (3.1-4.2 MB/s), PCMCIA (1.2-4.5 MB/s) et USB 3.0. Bien entendu, ces standars évoluent et aujourd'hui l'interface XQD (400 MB/s en écriture) semble promu à un bel avenir avec le développement des systèmes à haute définition et la vidéo HD 4K.

Ces valeurs dépendent toutefois de l'APN, de la carte et de son fabricant et vous pouvez trouver des modèles a priori équivalents mais affichant des valeurs très disparates, d'où l'intérêt des comparatifs. Consultez ce compararif des lecteurs externes Firewire ainsi que celui-ci de DPReview consacré à l'Unity Digital MDCF-FW présenté à droite.

Quel est le lecteur externe actuellement le plus rapide ? Mis à part les interfaces XQD 2.0, CFast 2.0 et Thunderbolt (Light Peak) qui sont encore très rares, il existe très peu de lecteur USB 3.0 externe (cf. Amazon) bien que la plupart des ordinateurs de dernière génération disposent d'un port USB 3.0. Cette technologie est réservée aux mémoires de masse (clé USB, disque SSD, etc).

En revanche, il existe des lecteurs exploitant l'interface Firewire 400 (50 MB/s) dont le modèle MDCF-FW d'Unity Digital présenté à droite. Le second lecteur est le CF Digital Film Reader de Lexar pour lequel l'équipe de PC Magazine a mesuré un taux de transfert de 2.8 MB/s pour un fichier de 170 MB. C'est deux fois plus rapide qu'une interface USB 2.0, alors qu'en théorie cette dernière devrait être plus rapide ! Notons que la vitesse de transfert augmente avec la taille du fichier, jusqu'à atteindre 5 MB/s. Ce sont des valeurs réelles qui n'ont rien à voir avec les chiffres annoncés par les constructeurs !

La qualité d'un produit ou la durée de sa garantie ne signifie donc pas qu'il est performant. Ceci dit, ce marché est en constante évolution et les produits de référence d'aujourd'hui seront vites dépassés d'ici quelques années.

Suite à un test de piratage réalisé par un chercheur de l'entreprise Check Point, on apprit en 2019 qu'à travers les ports USB et la connexion Wi-Fi, les APN de dernière génération sont vulnérables aux attaques de ransomwares et autres malwares (cf.. la cybercriminalité). En effet, lors de ce test, en moins d'une minute le chercheur réussit à télécharger dans un APN Canon EOS 80D un ransomware grâce auquel il a crypté l'accès aux photos comme le montre la vidéo suivante.

Par précaution, Canon a aussitôt proposé aux utilisateurs quelques conseils à suivre et notamment de ne pas connecter l'APN à un réseau Wi-Fi non sécurisé ou à un système potentiellement exposé aux virus informatiques, de désactiver les options réseau lorsque l'appareil n'est pas utilisé et de toujours installer les mises à jour du firmware dès qu'elles sont proposées.