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l'auteur

Marc Genevrier 
Ingénieur de formation
traducteur indépendant
en allemand et anglais
Passionné de grand format
et familier du numérique
marc.genevrier@wanadoo.fr 

 

Cet article reprend une intervention de Marc Genevrier pour Galerie-Photo aux transphotographiques de Lille de 2002.

Il est recommandé d'avoir lu, sur la photographie en argentique, l'article reprenant l'intervention d'André Mouton : la haute résolution en photographie argentique

 

 

 

 

 

La haute résolution en photographie numérique

Si les appareils numériques grand public ne peuvent encore prétendre au domaine de la haute résolution, les performances des dos numériques professionnels et des scanners de films sont suffisamment convaincantes pour justifier leur examen ici. Sans se lancer dans une analyse approfondie de la formation d'une image sur un capteur CCD, quelle taille d'agrandissement haute résolution peut-on espérer atteindre avec les différents matériels ? 

1. La chaîne exclusivement numérique

Considérons d'abord le cas des systèmes entièrement numériques. La chaîne envisagée comprend les maillons suivants : 

objectif de prise de vue
capteur photosensible
imprimante

L'objectif est naturellement soumis aux mêmes limitations que dans un système argentique. Notons tout de même que la faible taille des capteurs permet d'utiliser des objectifs de faible couverture, ce qui facilite la conception d'optiques à très fort pouvoir séparateur. Mais notre attention se portera ici principalement sur le capteur. Celui-ci est caractérisé par le nombre de ses pixels, grandeur souvent qualifiée à tort de "résolution" par les gens du marketing. À tort, car en réalité, il est fréquent n'y ait pas équivalence un-à-un entre les cellules du capteur et les pixels de l'image. Mais revenons d'abord à la constitution d'un capteur.

1.1 Le capteur

Le capteur est composé d'un ensemble de photosites, éléments photosensibles de forme variable qui peuvent être disposés suivant différentes configurations. Beaucoup d'entre nous ont été surpris de découvrir la disposition des photosites octogonaux sur les publicités Fuji :

 

Commençons par le cas le plus simple, avec des photosites de forme carrée disposés en une trame simple, alignée verticalement et horizontalement. Dans cette configuration, il paraît logique de supposer que chaque photosite du capteur donnera naissance à un pixel de l'image. On en déduit alors simplement que le pouvoir de résolution maximal pouvant être atteint par un capteur de 100 pixels/mm, par exemple, sera de 50 lpm : une rangée de photosites pour la ligne noire, une autre pour la ligne blanche.

Le critère de haute résolution de 5 lpm, qui correspond à une résolution d'impression de 254 dpi, donne dans ce cas simple :

pour une image de 2000 x 3000 pixels, un agrandissement maximum de 20 x 30 cm,

pour une image de 3000 x 4000 pixels, un agrandissement maximum de 30 x 40 cm

 

Malheureusement, ces considérations géométriques simples ne s'appliquent plus dès qu'on considère la résolution à l'oblique :

Photosites carrés :

Résolutions identiques horizontalement et verticalement, mais différentes à l'oblique (il faudrait également tenir compte des effets de crénelage.)

La situation s'aggrave encore avec des photosites rectangulaires :

Photosites rectangulaires :

Résolutions différentes horizontalement, verticalement et à l'oblique
Dans le dernier cas, les pixels de l'image, qui sont évidemment carrés, sont recalculés par le logiciel de l'appareil à partir des données brutes des photosites.

Mais même dans le cas de photosites carrés, le logiciel intervient aussi de toute façon, car chaque cellule n'enregistre que les informations de l'une des trois composantes R, V ou B. Le capteur est en effet recouvert d'un filtre qui présente la configuration suivante :

Les informations de couleur de l'image doivent donc être reconstituées à partir de ces informations filtrées. Selon la couleur de la lumière incidente, certains photosites seront même complètement inactifs. Dans l'exemple ci-dessus, le site vert situé en haut à gauche ne sert à rien si la lumière incidente est de couleur magenta.

1.2 Le logiciel

Dans tous les cas, donc, le pixel final est obtenu par un logiciel à partir des informations provenant du capteur. On est donc en plein dans le virtuel. Le meilleur exemple est donné par les appareils Fuji, qui produisent par exemple des images de 6 mégapixels à partir de capteurs ne comprenant que 3 millions de photosites.

A priori, on se dit que l'informatique, si elle sait faire des miracles, aura tout de même du mal à inventer des informations pertinentes à partir de rien. La réalité est un peu plus complexe si l'on connaît les possibilités des techniques de traitement d'image. Déjà très utilisées en imagerie médicale et scientifique ou en astronomie, elles ont en effet des capacités réellement surprenantes. À titre d'exemple et de curiosité, voici deux exemples de correction du flou de mise au point et du flou de bougé, tirés du site de l'éditeur Reindeer Graphics (www.reindeergraphics.com).

avant :

après :

avant :

après :

1.3 Essais pratiques

Devant une telle complexité, la meilleure solution consiste évidemment à effectuer des mesures, en photographiant des mires composées de fines lignes convergentes. On regarde simplement à partir de quel moment les lignes se confondent sur l'image finale. L'avantage de cette méthode est évidemment de tenir compte des trois éléments du système : l'objectif de prise de vue, le capteur et le logiciel.

Voici quelques valeurs relevées sur le site www.dpreview.com.  Précisons en préalable qu'une image numérique ne possède pas de dimension physique, elle contient juste un certain nombre de pixels sur sa hauteur, par exemple. On peut donc seulement mesurer le nombre de lignes horizontales distinctes qu'il est possible d'avoir sur l'image. Pour établir l'équivalent avec le format argentique 24x36, il suffit de diviser ce nombre par par 2 (pour obtenir des paires de lignes), puis par la hauteur de ce format, 24 mm (dernière colonne)

Appareil Mesure

Nb de lignes résolues
sur la hauteur de l'image

lpm équivalent en 24x36
Canon EOS D-60 Horizontalement
Verticalement

1800
1800

37
37
Nikon D100 Horizontalement
Verticalement

1850
1700

38
35
Fujifilm Finepix S2 Pro Horizontalement
Verticalement

1900
1850

39
38

D'autres sources comme le magazine Le Photographe, par exemple, ont mesuré une résolution équivalente de 35 à 38 lpm avec ces appareils, là aussi avec des différences en fonction de la direction.

Compte tenu de ces effets d'orientation, nous ne pouvons que donner une valeur moyenne : les résolutions mesurées avec ces appareils d'environ six mégapixels autorisent un grandissement équivalent de 7 à 8 fois,

soit une taille de tirage de l'ordre de 18 x 24 cm.

On est donc un peu au-dessous de la taille théorique de 20 x 30 cm indiquée plus haut pour un capteur de 2000 x 3000 pixels.

2. La chaîne argento-numérique

Nous envisageons ici le cas d'une image argentique (ekta ou négatif) numérisée avec un scanner à films, puis imprimée. La chaîne se compose donc des éléments suivants : 

objectif de prise de vue
émulsion photographique
objectif et mécanique du scanner
capteur photosensible
imprimante

La première partie est naturellement commune à la chaîne argentique classique et a été examinée dans le premier volet de ce dossier. Le scanner, avec ses caractéristiques mécaniques et optiques propres, remplace ici l'agrandisseur. Ses principales caractéristiques sont les performances de son objectif et la résolution de son capteur, 2400, 2800 ou 4000 dpi pour les modèles "bureautiques" d'entrée et de moyenne gamme, jusqu'à 12500 dpi sur des modèles professionnels à tambour ou de type scanner à plat XY. Ces derniers modèles se caractérisent par le fait que l'analyse est effectuée par "recouvrement de champ" : le scanner analyse une partie seulement de l'image argentique, puis la partie voisine, et recolle les morceaux à la fin du traitement. L'avantage est de pouvoir utiliser des optiques de très faible couverture, donc très haute résolution. Dans les scanners "bureautique", l'image est analysée par balayage de toute la largeur de l'image, donc avec des performances inférieures.

Examinons donc l'influence de différents types de scanners sur la numérisation d'images argentiques de divers formats, en reprenant les résolutions sur film argentique obtenues dans le premier article. J'utilise ici un modèle simplifié et j'applique la formule en 1/d² en considérant qu'une paire de lignes correspond à deux pixels. Ainsi, un capteur à 4000 dpi est un système capable de résoudre 2000/25,4 = 78 lpm, valeur qui constitue en somme une sorte de maximum théorique de ce que pourra transmettre le capteur. Certaines publications semblent indiquer que ce maximum est atteint à peu de choses près sur les meilleurs scanners de films "moyenne gamme" à 4000 dpi. En revanche, il apparaît que les scanners à plat vendus pour 2400 dpi n'atteindraient au mieux que 1800 à 2000 dpi réels.

Les valeurs que je donne ici constituent donc des maximas théoriques de ce qu'on peut espérer obtenir dans des conditions idéales. Le calcul est principalement destiné à établir des ordres de grandeur et à évaluer : 
1. la taille maximale de tirage satisfaisant au critère de haute résolution ; 
2. l'influence de la résolution du scanner sur cette taille d'agrandissement maximale à partir d'une image argentique donnée.

Pour tenir compte des équipements réellement disponibles pour l'amateur et le professionnel et sans prétention d'exhaustivité, nous avons retenu les types de scanners suivants :

Pour le 24 x 36 :  
Scanner à film 2800 dpi (supposés réels)
Scanner à film 4000 dpi (supposés réels)

Pour le 6 x 7 :   
Scanner à plat 2000 dpi réels 
Scanner à film 4000 dpi (supposés réels)

Pour le 4x5 :
Scanner à plat 2000 dpi réels
Scanner à film 2500 dpi (supposés réels – type Polaroid ou Microtek)

Pour tous : Scanner haut de gamme à raccordement de champ, 12500 dpi.

Format

Obj. + film

Résolution du scanner

Système

Tirage maxi à 5 lpm, en cm

35 mm
(24x36)

79 lpm

2800 dpi = 55 lpm

45 

22 x 33

 

 

4000 dpi = 78 lpm

55

26 x 39

 

 

12500 dpi = 246 lpm

75

36 x 48

6 x 7 cm
(56x70)

67 lpm

2000 dpi = 39 lpm

34

38 x 47

 

 

4000 dpi = 78 lpm

51

56 x 70

 

 

12500 dpi = 246 lpm

65

72 x 91

4 x 5"
(95x120)

44 lpm

2000 dpi = 39 lpm

29 

55 x 70

 

 

2500 dpi = 49 lpm

33

62 x 78

 

 

12500 dpi = 246 lpm

43

81 x 102

Note : Tous les calculs ont été conduits sans recadrage de l'image.

On observe peu de surprise en ce qui concerne le format du film : un 24x36 numérisé sur un scanner à tambour à 50 000 € atteint à peine un 6x7 traité avec un scanner à plat à 500 €, et l'écart augmente sensiblement dès qu'on numérise le film 120 avec un équipement dédié. En revanche, le 4x5 déçoit un peu par rapport au 6x7, puisque les deux formats font pratiquement jeu égal dans la catégorie intermédiaire de scanner. Il faut dire que la catégorie de scanner à 4000 dpi n'existe pas en grand format. Mais le faible écart est dû surtout à la forte chute de la résolution sur le plan-film : 44 au lieu de 67 lpm

Note aux amateurs de dos rollfilm :
Le tableau du premier article montre que le 4x5" est surtout pénalisé par la résolution de ses optiques. Utiliser ces mêmes objectifs avec un dos roll film permettra au mieux d'obtenir 50 lpm sur le film (j'augmente légèrement les 44 lpm pour tenir compte des progrès en matière de planéité, et parce qu'on a une plus grande facilité à travailler au centre de l'objectif, là où il est le meilleur, et à diaphragme plus ouvert). Après numérisation à 4000 dpi, on obtient une résolution système de 42 lpm, donc une taille maximale de tirage de 48 x 60 cm. C'est mieux qu'un 6x7 "authentique" numérisé à 2000 dpi 

Et si j'agrandis plus ?

Rappelons que le critère de la haute résolution dépend de la distance d'observation. Le modèle simplifié ci-dessus peut donc se prêter à de nombreuses interprétations, par exemple :

à quelle distance devrais-je regarder un tirage de taille donnée pour respecter la haute résolution ?

Il suffit de considérer que le critère de la haute résolution, 5 lpm à 25 cm, est équivalent à 2,5 lpm à 50 cm, à 1,25 lpm à 1 m, etc.

Exemple :

Format

Scanner

distance d'observation minimale pour un tirage de 50 cm de haut

distance d'observation minimale pour un tirage de 1 m de haut

35 mm
(24x36)

2800 dpi
4000 dpi

58 cm
48 cm

115 cm
96 cm

6x7 cm
(56x70)

2000 dpi
4000 dpi

33 cm
22 cm

66 cm
45 cm

4x5"
(95x120)

2000 dpi
2500 dpi

22 cm
20 cm

45 cm
40 cm

Commentaire

Rappelons à nouveau que toutes les valeurs présentées ici sont approximatives, car elles résultent d'un modèle simplifié qui repose sur différentes hypothèses, notamment la résolution de l'objectif et du film utilisés à la prise de vue, l'application de la loi en 1/d² pour calculer la résolution globale d'un système, enfin la faculté d'un scanner à délivrer un pouvoir de résolution effectivement égal à la résolution de son capteur en dpi. Chacun pourra naturellement refaire les calculs en modifiant ces hypothèses, en particulier en fonction de ses objectifs et de ses habitudes de prise de vue, et en tirer des conclusions sur le système le plus adapté à ses besoins.

Illustration

Comparaison entre le 6x7 à 4000 dpi et le 4x5 à 2000 dpi, qui présentent des performances quasi identiques dans notre premier tableau. Examinons par exemple ce qui se passe lorsqu'on change le pouvoir de résolution du film en conservant les mêmes objectifs de prise de vue (c'est l'occasion de compléter le tableau précédent par d'autres valeurs ; pour changer, nous prenons donc 80 lpm en moyen format et 60 lpm en grand format).

Film à 100 lpm

Format

Obj. + film

Résolution du scanner

Tirage maxi à 5 lpm, en cm

6x7 cm

62 lpm

4000 dpi = 78 lpm

55 x 69

4x5"

51 lpm

2000 dpi = 39 lpm

59 x 75

Film à 60 lpm

Format

Obj. + film

Résolution du scanner

Tirage maxi à 5 lpm, en cm

6x7 cm

48 lpm

4000 dpi = 78 lpm

46 x 58

4 x 5"

42 lpm

2000 dpi = 39 lpm

55 x 69

Le premier cas correspond à un système relativement équilibré en 6x7, mais fortement limité par l'objectif en 4x5. Le deuxième tableau correspond à un système un peu limité par le film en 6x7, mais plus équilibré en 4x5. On voit que l'écart entre les deux formats se creuse d'un tableau à l'autre, preuve s'il en était besoin que, quand le film est moins bon, il est avantageux d'en avoir une plus grande surface pour obtenir une belle image !

3. L'imprimante

L'impression n'est pas une étape parfaitement "transparente", ne serait-ce que parce que les pixels de l'image doivent être transformés en points de différentes couleurs, de différentes tailles et non alignés géométriquement comme les pixels. Depuis les dernières générations d'imprimantes jet d'encre, plus personne ne met en doute leurs capacités à délivrer une véritable qualité photographique. En particulier, on considère souvent qu'elles ne pourront plus réaliser de progrès importants en termes de résolution. 

Dans la pratique, des essais simples montrent que nos imprimantes jet d'encre "sortent" environ 240 dpi (avec des papiers adéquats), alors que le critère de la haute résolution correspond à une résolution d'impression de 254 dpi. On est donc très proche de la haute résolution, même si d'autres procédés d'impression font mieux. Les amateurs de beaux livres savent certainement de quoi je parle, et l'on se prend à rêver de tirages "maison" qui auraient la même qualité d'impression que le "Still" de Thomas Struth !

Mais il est surtout intéressant de noter ici que l'impression numérique introduit une opération de nivellement : un tirage numérique ne pourra jamais présenter une résolution supérieure à 5 lpm, même si l'image envoyée à l'imprimante était plus riche. Donc on ne pourra jamais la regarder à moins de 25 cm ! C'est une différence fondamentale par rapport à l'agrandissement sur papier argentique, où le support ne limite pas la résolution, grâce à l'extrême finesse de ses grains photosensibles.

 

dernière modification de cet article : 2002

 

 

 

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