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Comparaison entre l'œil et l'appareil photo
Ce billet s’amuse à analyser les performances de l'oeil comme si c'était un appareil photo
numérique, cette comparaison doit être prise avec du recul tant l'exercice est tiré par les
cheveux. Nous comparerons la vision humaine à:

un capteur

un objectif

un boitier (l’électronique)
Pour finalement mettre en regard les performances de l'oeil et celles d'appareils photo
récents.
Comparaison Œil / Capteur numérique
L'oeil vu comme un capteur numérique
Format :
Le format désigne le rapport entre largeur et hauteur d'une image.
La plupart des appareils photo compacts ont un format 4:3, les bridges et les reflexs ont eux
un format 3:2.
La vision humaine est elle plus "large", de l'ordre de 16:9, ce qui a inspiré le monde de la
vidéo qui a adopté ces proportions.
Définition :
La définition indique le nombre de pixels présents sur le capteur.
Alors que ce fut un argument marketing clé la course aux méga-pixels semble se calmer, on
peut dire qu'autour de 24Mpx est représentatif des capteurs contemporains.
Il est très difficile de ramener l'oeil à des méga pixels, regardons d'abord ce qui permet à l'oeil
de voir:

Des Cônes: environ 7 millions de cônes sont présents au centre du champ de vision, il
en existe trois types, chacun spécialisé dans la détection du Rouge, du Vert ou du Bleu
(exactement comme un pixel de capteur numérique qui décompose la lumière
en composantes RVB). Les cônes assurent la vision de jour (on parle de vision
diurne, ou photoptique).

Des Bâtonnets: plus de 120 millions de bâtonnets sont répartis dans tout le champ de
vision, sauf au centre, ils ne distinguent pas les couleurs et sont seulement sensibles à
la luminosité, ils assurent la vision de nuit (vision nocturne / scotopique).
Les bâtonnets sont des variétés de cellules sensibles à la quantité de lumière et à
son intensité.
Ils sont responsables de la détection des mouvements dans notre champ de
vision et de la vision de nuit (vision nocturne).
Les cônes sont de petites cellules très sensibles à la lumière. On dit ainsi que les cônes sont des cellules
photosensibles. En moyenne, 7 millions de cônes sont situés dans chaque œil humain. Ils sont
responsables de la vison diurne alors que d'autres cellules de l'œil, dénommées bâtonnets, prennent en
charge la vision nocturne. Les cônes reçoivent la lumière du monde extérieur et traduisent les
informations reçues en impulsions électriques qui sont transmises au cerveau. Celui-ci traite les
informations reçues et les restitue sous forme d'image. Il existe trois types de cônes, sensibles à des
couleurs différentes : rouge, vert et bleu.
à noter qu'il y a une "zone aveugle" sans cônes ni bâtonnets:
Densité des bâtonnets et des cônes dans l'oeil
Pour pouvoir procéder à une analogie on peut considérer 2 choses:


Le champ de vision "confortable" (permettant de distinguer les formes) de l'œil est de
40°.
La résolution angulaire maximale de l'œil est de 1/60°
Si l'on ramène ces chiffres à un format de vision de 16:9 on obtient une définition de 8Mpx.
Sensibilité spectrale :
La sensibilité spectrale est l'étendue du spectre lumineux qu'il est possible d'observer.
C'est un pléonasme: l'œil perçoit le spectre du visible, de 380nm à 780nm, entre les ultraviolets et les infrarouges, avec un pic de sensibilité autour de 560nm (à la limite entre le jaune
et le vert).
Attention: alors qu'un capteur est uniformément sensible à toutes les couleurs, la sensation de
luminosité perçue par l'œil dépend de la couleur, comme en témoigne cette courbe:
Sensibilité de l'oeil en fonction de la couleur
Le capteur d'un apn pourrait voir au delà de ce spectre mais des filtres limitent sa sensibilité
au spectre du visible.
Dynamique :
La dynamique représente l’intervalle entre la lumière la plus sombre et la lumière la plus
lumineuse qu'il est possible de distinguer.
Un capteur actuel va jusqu'à environ 14 EV, soit un rapport de 1 pour 16'000 (2^14) entre le
plus clair et le plus sombre qu'il puisse enregistrer.
EV : indice de lumination ou de luminance ou bien exposure value en anglais.
L'oeil peut s'adapter à une lumière allant de 0.001 lux à 10'000 lux, un rapport de 1 pour 10
millions, plus de 26EV !
Mais ce grand pouvoir d’accommodation est à pondérer: l'œil ne peut pas distinguer à la fois
les ombres et les lumières vives, il s'adapte en permanence aux conditions lumineuses, à la
manière d'un appareil photo dont on règle la sensibilité .
Profondeur de couleur :
La profondeur de couleur caractérise le nombre de couleurs distinguables.
Pour un capteur numérique cela dépend du nombre de bits utilisés pour coder les couleurs, les
capteurs dernière génération utilisent jusqu'à 24 bits ce qui permet de représenter 2^24 = plus
de 16 millions de couleurs.
L'œil lui est plus modeste, il distingue environ 8 millions de couleurs, que l'on peut ramener à
un codage sur 23 bits.
.
Comparaison Œil / Objectif photo
L'œil vu comme un objectif photo
Longueur focale :
C’est la distance entre le capteur d'un apn et le foyer optique de l'objectif.
De la longueur focale dépendent les champs de vision: plus la longueur focale est courte et
plus les champs de vision sont larges (l'image est "moins zoomée").
Tout est possible pour un objectif, de quelques mm (ultras grand-angle) à plusieurs centaines
de mm (pour les télé-objectifs).
Il n'est pas aisé de définir la longueur focale de l'œil, le champ de vision utile dépend des
applications:
Situation
Champ de vision
Focale équivalente
horizontal
Lecture
20°
102 mm
Reconnaissance des symboles
40°
49 mm
Distinction des couleurs
60°
31 mm
Vision globale
120°
10 mm
On se base généralement sur la capacité à distinguer les symboles, soit une longueur focale
de 49 mm.
Ceci explique pourquoi l'on présente le 50 mm comme la longueur focale la plus naturelle à
utiliser.
Ouverture :
En photo l'ouverture du diaphragme est le rapport entre la longueur focale et le diamètre
du diaphragme. Elle est notée f/N, N allant communément de 1.4 (très grande ouverture) à 22
(très faible ouverture).
Le diaphragme est un dispositif mécanique intégré à l'objectif qui permet de laisser passer
plus ou moins de lumière en modulant le diamètre d'un "trou".
Pour l'œil l'ouverture dépend de la taille de l'iris, qui se dilate si la lumière est faible / se
contracte dans le cas contraire, elle varie de f/2 à f/8
f : la focale.
Distance de mise au point (distance de map) :
La distance de map désigne la distance entre l'appareil photo (ou l'oeil) et le sujet sur lequel
on fait le point.
Alors qu'un objectif peut généralement faire la map entre la longueur focale (en cm, par
exemple 50cm pour un 50mm) et l'infini, l'œil peut lui s'adapter entre 25 cm et l'infini, plus
près et l'image sera floue.
Résolution :
La résolution d'un objectif caractérise la netteté que l'on peut obtenir, en effet l'image sur le
capteur est toujours un petit peu floue, avec une résolution moyenne de 40lp/mm (line
pairs/mm ou bien nombre de pairs de bandes/ mm en français) le flou créé par les objectif est
très modeste.
Diffraction :
La diffraction est un phénomène optique qui fait que lorsqu'un rayon lumineux passe dans un
petit trou il en ressort "élargi" ce qui crée une sensation de flou.
La taille du flou dépend uniquement du diamètre du trou, ramené à l'ouverture on calcul le
diamètre du flou ainsi:
Diamètre du flou=2 x 1.22 x lambda x N
Avec lambda la longueur d'onde de la lumière, usuellement 560nm (ce qui correspond au pic
de sensibilité de l'œil).
Pour l'œil, la diffraction va donc de 2.7µm pour f/2 à 10.9µm pour f/8.
Les défauts: vignettage et distorsion
Vignettage et distorsion sont très dépendants de la qualité de fabrication d'un objectif.
Dans le cas de l'oeil le vignettage est plus ou moins prononcé en fonction de la rétinite
pigmentaire, la distorsion est elle imperceptible car corrigée par le cerveau.
Comparaison Œil / Boitier reflex
L'oeil vu comme un boitier reflex
FPS
Les fps (frames per second) ou trames /s, désignent le nombre de photo que l'on peut prendre
en continu, par seconde.
Les réflexes ont un fps entre 4 et 10 images par secondes.
Pour l'œil c'est la la persistance rétinienne qui limite le nombre d'images pouvant être traitées
par le cerveau, on lit de tout à propos de cette valeur: de 100ms à 25ms, retenons le 1/25sec,
cher aux vidéos, d'où: 25 fps.
Latence
La latence est le laps de temps entre le moment ou l'on appuie sur le déclencheur et l'instant
où l'image est mémorisée, elle est de l'ordre de 100ms pour un apn performant.
Le temps mis le cerveau pour traiter l'information fournie par l'oeil se situe entre 150 ms et
300 ms.
à noter pour finir que l'oeil est équipé d'un autofocus permanent, d'un système
de nettoyage des poussières (paupières et larmes) et qu'il est tropicalisé..
Comparaison avec du matériel photo
Pour conclure cet exercice de style voici un comparatif de l'oeil avec des reflex phares de
2012 ainsi qu'avec des valeurs typiques pour des objectifs.
Vision
humaine
Canon 5D
Mark III
Nikon
D800
Objectif
Format
16:9
3:2
3:2
X
Résolution (Mpx)
7.8
23.4
36.6
X
Profondeur de couleur (bits)
22.9
24
25.3
X
Dynamique (bits)
26.6
11.7
14.4
X
25
6
6
X
Latence (ms)
150-300
90
90
X
Focale (mm)
49
X
X
10-300
f/2-f/8
X
X
f/1.4-f/22
25cm - infini
X
X
10 x focales - infini
20
X
X
30-60
variable
X
X
-0.7EV
Item
FPS max
Ouverture
Distance de MAP
Résolution (lp/mm)
Vignetage
Item
Distorsion
Vision
humaine
Canon 5D
Mark III
Nikon
D800
Objectif
0%
X
X
0.1%
On voit que globalement le matériel actuel n'a pas à rougir devant les performances de la
vision humaine, reste à travailler sur la dynamique des capteurs, la cadence de prise de vue
ainsi que sur le vignetage et la distorsion des objectifs.