Résolution, Taille de pixels, Echantillonnage

Bonjour tout le monde, je vais essayer d’aborder ici un sujet qui est souvent mal compris par une grande majorité de photographes amateurs, c’est à dire la résolution.
Je m’excuse par avance des erreurs que je pourrais dire, donc toutes remarques, critiques, objections seront les bienvenue.
L’idée commune est de penser que plus on a de pixels et plus résolue sera notre image.
En réalité il y a 2 éléments qui vont contribuer à la résolution d’une image : Le diamètre du diaphragme; l’ouverture, et la taille du pixel.

Je vais commencer par donner des bases d’optique ( ici c'est chaud quand même ) , pour que tout le monde saisisse bien les concepts physiques qui se cachent derrière ces termes assez hermétiques.



LA RESOLUTION :
La résolution est communément un concept qui permet de dire qu’on voit plus de détails. Et la résolution est caractérisée par la “Séparation” entre 2 points lumineux à partir de laquelle on distingue ces 2 points sur une photo.

Par exemple une personne qui aura une mauvaise vue et qui regardera 2 étoiles proches (Alcor et Mizar de la Grande Ourse par exemple) n’en verra qu’une. Alors qu’une personne peut-être moins âgée distinguera facilement 2 étoiles. Les deux étoiles citées étaient d’ailleurs le test d’acuité visuelle qui permettait, dans le monde arabe du moyen-âge, de déterminer la qualité de la vue des personnes.

Notre oeil fonctionnant de la même manière qu’un appareil photo (tout du moins, nous avons une pupille qui s’agrandit et se rétrécit comme un diaphragme), nous pouvons faire le parallèle avec la photographie.

Donc la résolution d’un appareil photo est caractérisée par son pouvoir de Séparation.
Cette séparation est exprimée en angle. Pourquoi? C’est tout simple :
Imaginez que vous vous trouviez sur la plage. Vous plantez 2 bâtons sur le sable et vous attendez que passe un bateau. La distance parcourue par le bateau entre le moment où il est masqué par le premier bâton, et le moment où il est masqué par le second est d’autant plus grande que le bateau est éloigné de vous.


En revanche l’angle est le même. Donc sur une photo, une distance entre 2 objets s’exprime en angle.

Vu que notre diaphragme n’a pas une dimension infinie, quand on fait l’image d’un point (une étoile très éloignée par exemple), on obtient pas un point mais une tache (la tâche d’Airy). C’est la DIFFRACTION. Cette tâche est d’autant plus large que le diaphragme est petit. Inversement si le diaphragme était infiniment grand, on n’aurait plus une tâche mais un point.
Ceci est très important pour la résolution. 
En effet, prenons 2 points situés très loins, comme les phares d’une voiture à l’horizon.
En faisant l’image de la voiture (de nuit ), sur la photo n’apparaîtra qu’un seul point. Pourquoi? Parce que la DIFFRACTION des 2 phares crée sur notre image 2 tâches, qui sont tellement rapprochées qu’elles ne semblent en former une sorte de grosse tâche difforme.
Le pouvoir de résolution de l’appareil photo n’est pas assez important.
Qu’aurait-il fallut faire pour distinguer 2 points sur la photos? Il aurait fallut réduire l’effet de diffraction, agrandir la taille de l’objectif de plusieurs décimètres voire plusieurs mètres.
Dans ce cas l’optique de l’appareil photo aurait eu le pouvoir de résolution nécessaire pour pouvoir distinguer les 2 phares.

Mais un autre problème se pose et cela nous amène au 2ème chapitre : le Pixel.

LE PIXEL
Le pixel du CCD est le pendant du grain de la pellicule en argentique. Notre capteur CCD est constitué d’une grille de pixels, un peu comme les alcôves des ruches des abeilles, sauf que nos pixels sont carrés. Chaque Pixel reçoit un certain nombre de photons qu’il “convertit” en un nombre d’électrons. Ce NOMBRE d’électrons est enregistré pour chaque pixel et c’est ce qui forme notre image sur l’ordinateur. La qualité de conversion s’appelle le bruit.
En effet si un pixel reçoit 2 photons... parfois il se trompe et les convertit en 3 électrons. L’erreur est de 1. C’est d’autant plus visible quand on monte en ISO, où chaque conversion est multipliée. Ainsi à 3200 ISO un pixel doit convertir 2 photons en 32 électrons (ce qui permet de mieux voir la nuit quand il y a peu de lumière, peu de photons) si le pixel se trompe et compte 3 photons au lieu de 2, il va les convertir en 48 électrons! L’erreur est de 16!!!!
Ceci est principalement lié à la qualité électronique du CCD.

Revenons à notre problème de résolution. Nous avons vu que le diaphragme de notre appareil crée une tache au lieu d’un point. Cet effet est évidemment nocif à la qualité de l’image.
Heureusement, si cette tâche reste plus petite que la dimension du pixel du CCD, le tour est joué. Votre CCD va compter le nombre de photons qui arrivent sur ce pixel et va le transformer en un numéro. On reste en dessous d’un seuil fatidique où tâche < pixel

Malheureusement, si vous fermez votre diaphragme (disons à f/22) la tâche va s’élargir d’autant plus que que le diaphragme sera petit. Que se passe-t-il?
La tâche va commencer à déborder du pixel et illuminer les pixels voisins. Du coup votre CCD va enregistrer plusieurs pixels pour le même détails... On a dépassé le seuil fatidique : tâche > pixel

Ce raisonnement est valable aussi dans le sens inverse.
Reprenons notre ouverture normale, f/1.8 par exemple. On peut même prendre f/1 le problème est le même. Notre objectif cette fois-ci va créer pour un point lumineux, une toute petite tâche!. Là on est content.
En revanche si on diminue trop notre TAILLE de pixel, ils risquent de devenir tellement petit que leur dimension sera plus petite que notre tâche!! pixel < tâche = tâche > pixel



C’est ce qui se passe quand les constructeurs augmentent le NOMBRE de pixels sur les nouveaux modèles : Prenons un puzzle de 500 pièces. Si vous voulez le même puzzle, de la même taille (pour mettre dans le même cadre par exemple), mais avec 2 000 pièces, vous comprenez vite que les pièces du nouveau puzzle seront beaucoup plus petites.
Il en est de même avec nos CCD. Leur taille ne change pas (24x36 pour les full-frame par exemple). Mais la course aux nombre de pixels est en réalité une course vers le rétrécissement de la taille pixel, jusqu’à notre seuil fatidique .....



Donc il y aurait intérêt à garder de gros pixels (et du coup en avoir moins) ce qui permettrait de toujours rester au dessus du seuil. En plus un élément joue en cette faveur : le bruit cité plus haut. Imaginons CCD de même dimensions. Le premier ayant 1 million de pixels, et l’autre 4 millions. Du coup là où le premier CCD peut loger 1 pixel, le second peut en loger 4. Or un pixel à 4 fois moins de chance de se tromper dans sa conversion photon-électron que 4 pixels...
Tout ceci nous encourage à grossir la taille de nos Pixel et d’en diminuer aussi le nombre.

Mais alors un autre problème se soulève. Celui de l’échantillonnage, et cela fera l’objet de mon 3ème et dernier chapitre :

ECHANTILLONNAGE.

L’échantillonnage est la fréquence à laquelle est transmise une information.
Quand vous regardez la télévision, la fréquence de rafraîchissement est supérieure à 25 images par seconde (fréquence de rafraîchissement de l’oeil) ce qui donne l’impression de mouvement, de continuité. En revanche quand la réception est moins bonne, alors la fréquence d’échantillonnage descend en dessous des 25 images par secondes et cela donne une impression de saccadé que l’on remarque
Pour notre image, c’est pareil. Si on avait que 4 pixel par photo, on verrait 4 gros carrés (par exemple 1 blanc, 1 vert, 1 rouge et un bleu) et c’est tout. Au fur et à mesure que l’on augment notre échantillonnage de l’image, qu’on augmente notre nombre de pixels pour la image en diminuant leur dimension, alors l’image devient plus fine et les détails plus fins apparaissent.
Un autre exemple, retournez sur notre plage, et mettez des bouées phosphorescentes dans l’eau, en ligne droite vers le large. Imaginons que l’on en met une tout les 50 mètres. Quand arrive la nuit, on ne voit plus que les bouées. Vu qu’elles sont très éloignées les unes des autres, leur mouvement ne nous permet pas de deviner les vagues. Au pire, elles peuvent toutes bouger à l’unisson si par malheur leur inter-distance correspond exactement à la distance entre 2 creux des vagues... 
Maintenant retentons l’expérience et plaçons une bouée tout les 5 centimètres. La nuit arrive et la belle ligne de bouée décrit par le mouvement verticale de chacune d’elle, les caractéristiques des vagues qui les soulèvent.


Notre CCD c’est identique, les bouées sont les pixel et les vagues sont notre image. Nous cherchons à bien voir l'image c’est à dire la vague, grâce aux bouées. Donc on en veut beaucoup de bouées.
Ainsi, dans l’intérêt de faire une belle image bien détaillée, nous sommes tentés d’ajouter un grand nombre de pixels.
Or nous l’avons vu au chapitre 2, cette augmentation à une limite : le seuil fatidique.
Si on augmente trop le nombres de pixels, leur taille va trop diminuer (car la dimension totale du CCD reste inchangée comme notre puzzle) et on va passer le seuil fatidique : pixel < tâche.



DISCUSSION

Nous nous apercevons que la qualité technique d’une image est un habile équilibre entre dimension de pixel, nombre de pixel, et qualité de l’optique.
Heureusement l’argentique est passé par là et nous a empiriquement donné des références. Le 24x36 étant la “norme” pour les dimensions du CCD. Fermer un objectif à f/22 nous donne pratiquement le seuil fatidique pour la dimension d’un pixel. Et donc un nombre de pixels maximum pour ne pas voir la diffraction. Comme par hasard le meilleurs compromis trouvé correspond à la taille du grain des pellicules argentiques

Et n’oublions pas que chaque image est composée de la superposition de nos petites tâches dues à la DIFFRACTION.
Même quand je fais la photo de mon frère en pull rouge, chaque photon rouge qui arrive du pull vers mon objectif sera transformé en tâche. Et l’ensemble des tâches rouges passeront à travers un tamis, mon CCD qui transformera toutes ces tâches lumineuses en tâches-électronique, en faisant quelques erreurs...