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Combien de Mégapixels pour mon appareil photo ?

mercredi 1er octobre 2008


Les capteurs d’appareil photo numérique supportent-t-ils un nombre illimité de pixels ? Ou bien y a t-il un nombre optimal de pixels au-delà duquel l’image commence à se dégrader ?

Depuis l’apparition des premiers reflex numériques pour le grand public, la course aux mégapixels a été pour les constructeurs le créneau marketing le plus rentable pour vendre de nouveaux modèles. C’est vrai qu’au tout début de la photographie numérique, le manque de résolution des appareils était un de leurs principaux défauts qui en limitait l’intérêt. L’habitude a été donc prise par les fabricants de présenter l’augmentation du nombre de pixels dans le capteur comme une petite révolution. Aujourd’hui, alors que la résolution a atteint un niveau satisfaisant pour la plupart des utilisateurs, la course aux mégapixels continue sa course effrénée.

Il est donc légitime de se poser la question de savoir si un trop grand nombre de pixels ne va pas être préjudiciable à la qualité de l’image sachant que plus les pixels sont nombreux dans le capteur, plus la taille les photosites va se réduire. Et effectivement la dimension du photosite a une influence sur la qualité de l’image, car elle commande 2 caractéristiques très importantes : la capacité à recueillir de fortes expositions et le niveau de seuil du bruit. On peut résumer la situation en disant que plus un photosite est petit, plus sa sensibilité à la lumière diminue.

Grand photosite = capteur plus sensible

Pour employer une comparaison imagée, le photosite se comporte comme un pluviomètre, c’est-à-dire un seau qui récolte de l’eau de pluie. Il faut qu’il soit d’une taille suffisante pour enregistrer les plus fortes pluies qui tombent sur la région. Il en va de même pour le photosite, une grande taille permet de récolter un grand nombre d’électrons qui correspondent à de fortes expositions lumineuses. Et plus un capteur électronique est capable d’absorber de fortes expositions, plus le pourcentage de bruit relatif baisse.

Fig.1. Pour une même exposition lumineuse, un photosite de petite taille sera rapidement saturé, alors qu’un photosite de grande taille aura une large marge pour accepter des expositions plus importantes. Dans cet exemple le grand photosite, avec un diamètre 2 fois plus grand, peut supporter une intensité lumineuse 4 fois plus forte, soit une marge de 2 indices de lumination

Récolter de grands écarts de luminosité est un atout important pour un capteur, car cela va permettre de conserver du détail dans des ima5ges à très fort contraste comme des paysages avec un ciel lumineux. On appelle cette capacité à capter des écarts de contraste plus ou moins importants la plage dynamique.

Le bruit affecte surtout les faibles niveaux de luminosité et il existe un seuil de bruit correspondant au déplacement de moins d’une centaine d’électrons, où le bruit est si important que cette zone est inutilisable. Plus le capteur a une forte sensibilité, plus cette zone devient marginale.

Fig. 2. La plupart des appareils photo numériques utilisent un mode de comptage des électrons basé sur la statistique. Avec cette méthode l’estimation du bruit dans un signal est assez proche de la racine carrée du nombre d’électrons comptés.

Roger Clark définit sur son site une corrélation entre une qualité apparente de l’image et la taille effective des photosites. Sa définition subjective de la qualité d’image dépend de la résolution et du pourcentage de bruit par rapport à la plage dynamique. Son exposé est précis et fouillé, mais d’une lecture difficile, car il approfondit un domaine très spécialisé. Voici un résumé concis et simplifié de son point de vue.

Dans un tableau on estime la qualité apparente de l’image en fonction de la taille du photosite. Les différents formats de capteurs évoluent suivant des courbes qui indiquent avec quelle taille de photosite ils ont le meilleur rendement. Enfin, les lignes droites représentant une résolution constante expriment l’accroissement de la qualité d’image proportionnellement à l’accroissement de la taille des photosites.

Quelle que soit la taille du capteur, il apparaît clairement qu’il existe une taille optimum du photosite située entre 5 et 5,5 micromètres. Si la taille est plus petite, la qualité d’image chute très rapidement. Si la taille est plus grande, il y a une dégradation également (moins rapide) car la perte de résolution ne compense pas la diminution du bruit.

Fig.3. En théorie, un capteur devrait se situer à l’intersection de la droite définissant sa résolution en mégapixels, et de la courbe définissant sa taille. Le Canon 5D ( repère 1) qui est un 24/36 et qui comporte 12,8 MP devrait idéalement se situer à l’intersection de la ligne verte et de la courbe noire. Il est légèrement en dessous, car c’est un appareil déjà ancien (2005). Le Nikon D300 (repère 2) devrait se situer à l’intersection de la ligne verte et de la courbe grise. Il est légèrement au-dessus, car il bénéficie d’une technologie plus récente (2008). Les courbes correspondent à la technologie de capteur de 2007.

Conclusions

Ce tableau indique simplement qu’un capteur de technologie 2007 serait optimum aux alentours de 14 mégapixels et un capteur 24/36 aux alentours de 34 mégapixels.

Plutôt que proposer un tableau avec les tailles réelles des photosites, il aurait été beaucoup plus intéressant d’avoir un tableau avec les surfaces réellement opérationnelles des photosites. Mais ces informations sont difficiles à obtenir.

Fig. 4. Entre 2005 et 2008, les photosites ont subi un véritable saut technologique. Ainsi en 2005 à l’époque de l’EOS 5D, les photosites de 8,2 µm ne savaient utiliser que 65% de leur surface pour la captation des lumens. On avait une surface opérationnelle de 5,3 µm. En 2008, sur l’EOS 5D mark II, les photosites plus petits (6,4 µm) parviennent à utiliser près de 85 % de leur surface, soit une surface opérationelle de 5,4 µm.

Il est toutefois possible d’interpoler grossièrement ces résultats pour la technologie de chaque année. Par exemple en 2010, la surface active d’un photosite a progressé de 130 % par rapport à 2007. On peut donc en conclure qu’un capteur APS-C était optimum à 14 mégapixels en 2007 et à 18,2 mégapixels en 2010.

La taille du photosite n’est qu’un facteur parmi beaucoup d’autres pour obtenir une image de qualité, il ne faut donc pas lui donner plus d’importance qu’il mérite. Il ne faut pas non plus chercher la précision des résultats dans ce graphique, mais seulement retenir que tout capteur a une fourchette optimum de pixels et que toujours plus de pixels comme c’est encore aujourd’hui la tendance n’est pas le remède idéal.

Souvent les photographes qui ont pratiqué l’argentique cherchent à connaître la correspondance de résolution entre un film argentique et un capteur électronique. Pour donner un ordre de grandeur, les diapositives à grains très fins (25 ISO) correspondent plus ou moins à 14 MP. Les films avec des grains marqués (400 ISO) correspondent plus ou moins à 5 MP.