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.