La qualité des images numérique

Effet de l'augmentation de la netteté sur une image RAW préalablement traitée contre l'effet d'aliasing (netteté améliorée de 100% dans un rayon de 2 pixels). Document T.Lombry.

La qualité d'une image numérique s'exprime en termes de rendu chromatique, de résolution et de netteté, bref de sa fidélité par rapport au sujet. Elle dépend de plusieurs facteurs :

- La résolution optique du système photographique. Elle varie en fonction de la résolution du capteur photosensible, de la qualité de l'optique, en particulier des aberrations résiduelles, du bruit électronique et de la capacité de Shannon, elle-même dépendant du bruit et du niveau de contraste (MTF).

- La fidélité chromatique qui est influencée par l'espace de couleur de travail, la dynamique de l'appareil, le bruit des différents canaux L,R,G,B, et les performances des conversions A/D et RAW

- Le vignetage qui dépend des caractéristiques de l'optique, de la taille du capteur photosensible et éventuellement des accessoires (pare-soleil, etc). Son intensité varie en fonction de l'ouverture du diaphragme.

Dans cet article nous nous intéresserons à la résolution et plus particulièrement à la netteté des images et aux moyens de l'évaluer.

Parmi les problèmes évidents qu'un photographe rencontre en travaillant avec un appareil photo numérique (APN), il y a le fait établi que les images sont légèrement floues vues de près et ne présentent jamais le même piqué qu'une image obtenue dans les mêmes conditions avec un boîtier argentique.

Le même constat apparaît en astrophotographie si nous comparons les photographies digitales prises au moyen d'un APN compact en mode afocal (équipé d'un objectif fixe) et d'une caméra CCD dédiée à l'astronomie comme on peut le voir sur ces images de Saturne : l'une est floue l'autre est nette alors qu'elles ont été réalisées avec le même type de télescope.

Si on écarte le problème optique, il faut distinguer deux problèmes pouvant rendre les images légèrement floues :

La quantité de détails est fonction de la résolution de l'appareil. Elle est affectée par un ensemble de facteurs tels que la résolution du capteur (le nombre de photodiodes par unité de longueur), le traitement effectué par le processeur d'image et la qualité de l'objectif.

Quant à la netteté, elle dépend de la qualité de la mise au point et du niveau d'accentuation de l'image aux limites de deux zones contrastées, phénomène qui s'observe très bien sur le pourtour d'une forme arrondie ou sur un damier N/B incliné.

Pour évaluer ces deux caractéristiques, on assume bien entendu que l'image est prise dans des conditions idéales et contrôlées d'un studio et n'est affectée d'aucun biais d'aucune sorte : le sujet est lumineux et contrasté, la sensibilité faible, la durée d'exposition rapide pour éviter une augmentation du bruit électronique et d'autres biais, la profondeur de champ est suffisante, l'appareil n'est pas soumis à de micro vibrations, le système optique n'est pas affecté par un défaut ou une limitation technique (problème ou précision de l'autofocus, etc) ni par de mauvaises manipulations du photographe (mauvaise mise au point, mise au point effectuée à la distance minimale, bougé, etc) et enfin on assume que le sujet n'a pas bougé d'un cil durant la prise de vue. Des ingénieurs de Canon recommandent même de faire l'essai avec l'autofocus ou en assurant manuellement la mise au point et de préférence sur un sujet situé dans un plan parallèle à l'APN (vertical) et non pas incliné à 45°. Enfin, mais cela va sans dire, on considère l'image brute créée par l'APN paramétré par défaut (sans prétraitement d'image), sauvée au format RAW et avant tout traitement d'image sur ordinateur.

Malgré toutes ces précautions contrôlées en studio, on constate que toutes les caméras vidéos et les APN présentent ce léger aspect lissé, de flou dans les détails, phénomène souvent discuté par des photographes venant du monde argentique et travaillant depuis peu avec un APN.

Plus d'un amateur vous diront qu'il suffit de monter en définition pour réduire le problème puisque l'agrandissement devra être moins élevé pour obtenir le même niveau de détail, ce qui aura pour effet de noyer les petits défauts, y compris le manque de netteté ou les bougés inperceptibles. Mais le problème réapparaîtra de toute manière à un agrandissement supérieur. En réalité si cette méthode résoud une partie du problème (mais pas totalement), elle n'explique nullement pourquoi les images sont floues.

En fait le problème est physique, inhérant à la résolution du capteur et à la manière dont le processeur d'image traite le signal numérique. Ce "flou artistique" comme on pourrait le nommer à tord est autant une limitation physique qu'une volonté du constructeur. Il y a également une raison commerciale, marketing pour ainsi dire mais qui cache en fait une raison technique, interne aux APN et aux caméras vidéos.

Sur le plan technique plusieurs facteurs contribuent à ce léger flou des appareils numériques :

- Tout d'abord la diffraction. C'est une limitation physique liée aux propriétés des ondes. Un photographe professionnel vous conseillera toujours de ne pas photographier avec une ouverture supérieure à f/11 avec des optiques Nikon. Ce tutoriel anglais ainsi que cette explication de Bob Atkins expliquent les raisons de ce phénomène qui fait intervenir le concept de "cercle de confusion".

- Le filtre anti-aliasing qui prévient l'aspect en escalier à un certain niveau de détail et réduit l'effet de moiré. Nous lui consacrerons un article car son effet peut être très important et a déjà perturbé plus d'un photographe. Comme par ailleurs il fait appel à des notions assez techniques, il est prudent de l'aborder séparement au risque de charger inutilement cet article

Interpolation de la grille de Bayer. Ce schéma décrit la "démosaïsation" et l'interprétation réalisées par le convertisseur RAW pour reconstituer une image RGB. Document Adobe adapté par l'auteur.

- Le filtre IR bloquant qui laisse passer trop d'infrarouge au-delà de 700 nm sur certains APN. Nous lui consacrerons également un article passionnant lorsque nous aborderons la photographie infrarouge.

- L'algorithme assurant l'interpolation de la grille de Bayer adoucit également les images puisqu'il s'agit d'une interpolation numérique.

- Enfin, une vitesse d'obturation trop faible accentue le flou car plus les pixels sont petits plus les micro-vibrations ont de chances d'être enregistrées. Or des micro-vibrations, l'APN en enregistre en permanence en commençant par celles engendrées par le miroir réflex. En théorie, par mesure de prudence on conseille d'adopter une vitesse d'obturation au moins égale à l'inverse du double de la longueur focale de l'objectif. Ainsi, si vous utilisez un objectif de 50 mm, photographiez à 1/100^e de seconde minimum afin d'écarter l'effet de ces micro-vibrations ou du bougé.

Citons en complément l'effet du bruit électronique généré durant la conversion A/D et l'amplification. Nous le plaçons à part car il affecte la qualité de l'image à travers le rapport signal/bruit et donc pas uniquement sa netteté. Rappelons que ce bruit est de nature aléatoire et produit différents effets (moiré à faible intensité, coloration des pixels, destruction de l'image à forte intensité, etc). On peut y remédier de différentes manières : fonction NR, dark frame, refroidissement du capteur, etc.

Enfin, il y a la résolution du capteur. On comprendra aisément que la pixelisation affecte la définition de l'image. Bien qu'elle n'apporte pas de flou à proprement dit à l'image, elle affecte le niveau de détail. Nous la citons à part car il s'agit d'une notion différente de celle de la netteté mais elle l'affecte indirectement à travers l'interpolation de la grille de Bayer.

En comptant la médiocre qualité des optiques et les erreurs du photographe, nous sommes donc en présence d'au moins 7 facteurs qui se liguent et se renforcent pour affecter la netteté dans des images... Cela fait tout de même 3 facteurs de plus qu'en photographie argentique parmi lesquels le filtre anti-aliasing joue un rôle prépondérant. On comprend mieux dès lors que ce manque de netteté soit loin d'être négligeable.

Tous les APN sont-ils affectés par le même niveau de flou ? Il est difficile de répondre simplement à cette question car chacun des facteurs évoqué peut produire un effet plus ou moins renforcé et donner des résultats finalement très différents d'un appareil à l'autre. C'est ici que le "flou commercial" va finalement trancher la question en imposant ou non un certain degré de flou aux images pour satisfaire les goûts des clients.