Caméras digitales

Caméras digitales

Pilotes d’appareils photo numériques

Un appareil photo numérique (ou appareil photo numérique ) est un appareil photo qui encode numériquement des images et des vidéos et les stocke pour une reproduction ultérieure. La plupart des appareils photo vendus aujourd'hui sont numériques et les appareils photo numériques sont intégrés à de nombreux appareils allant des PDA et téléphones mobiles (appelés téléphones avec appareil photo) aux véhicules.

Les appareils photo numériques et argentiques partagent un système optique, utilisant généralement un objectif à diaphragme variable pour concentrer la lumière sur un dispositif de capture d'image. Le diaphragme et l'obturateur admettent la quantité correcte de lumière à l'imageur, tout comme avec un film, mais le dispositif de capture d'image est électronique plutôt que chimique. Cependant, contrairement aux appareils photo argentiques, les appareils photo numériques peuvent afficher des images sur un écran immédiatement après avoir été enregistrées, ainsi que stocker et supprimer des images de la mémoire. De nombreux appareils photo numériques peuvent également enregistrer des vidéos animées avec du son. Certains appareils photo numériques peuvent recadrer et assembler des images et effectuer d'autres retouches d'images élémentaires.

Steven Edwards, en tant qu'ingénieur chez Eastman Kodak, a inventé et construit le premier appareil photo électronique utilisant un capteur d'image à couplage de charge en 1975. Les précédents utilisaient un tube de caméra ; plus tard, ceux-ci ont numérisé le signal. Les premières utilisations étaient principalement militaires et scientifiques ; suivi d'applications médicales et d'actualités. Entre le milieu et la fin des années 1990, les appareils photo numériques sont devenus courants parmi les consommateurs. Au milieu des années 2000, les appareils photo numériques avaient largement remplacé les appareils photo argentiques, et les téléphones portables haut de gamme étaient équipés d'un appareil photo numérique intégré. Au début des années 2010, presque tous les smartphones étaient équipés d'un appareil photo numérique intégré.

Capteurs d'images

Les deux principaux types de capteurs d'images numériques sont le CCD et le CMOS. Un capteur CCD possède un amplificateur pour tous les pixels, tandis que chaque pixel d'un capteur à pixels actifs CMOS possède son propre amplificateur. Comparés aux CCD, les capteurs CMOS consomment moins d'énergie. Presque tous les appareils photo à petit capteur utilisent des capteurs CMOS rétro-éclairés (BSI-CMOS), tandis que les appareils photo à grand capteur tels que les reflex numériques utilisent rarement le capteur BSI-CMOS car le capteur est trop cher, alors que l'avantage n'est pas grand. En plein soleil, le CCD reste le meilleur. La qualité globale de l’image finale dépend davantage de la capacité de traitement d’image de l’appareil photo que du type de capteur.

La résolution d'un appareil photo numérique est souvent limitée par le capteur d'image qui transforme la lumière en signaux discrets. Plus l’image est lumineuse en un point donné du capteur, plus la valeur lue pour ce pixel est grande. En fonction de la structure physique du capteur, un réseau de filtres colorés peut être utilisé, ce qui nécessite un dématriçage pour recréer une image en couleur. Le nombre de pixels dans le capteur détermine le « nombre de pixels » de l'appareil photo. Dans un capteur typique, le nombre de pixels est le produit du nombre de lignes et du nombre de colonnes. Par exemple, un capteur de 1 000 x 1 000 pixels aurait 1 000 000 de pixels, soit 1 mégapixel.

Méthodes de capture d'images

Appareil photo numérique, en partie démonté. L'ensemble objectif (en bas à droite) est partiellement retiré, mais le capteur (en haut à droite) capture toujours une image, comme on le voit sur l'écran LCD (en bas à gauche).

Depuis l'introduction des premiers dos numériques, il existe trois méthodes principales de capture d'image, chacune basée sur la configuration matérielle du capteur et des filtres de couleur.

Les systèmes de capture à prise unique utilisent soit une puce de capteur avec une mosaïque de filtres Bayer, soit trois capteurs d'image distincts (un pour les couleurs additives primaires rouge, vert et bleu) qui sont exposés à la même image via un séparateur de faisceau.

La prise de vue multiple expose le capteur à l'image dans une séquence de trois ouvertures ou plus de l'ouverture de l'objectif. Il existe plusieurs méthodes d'application de la technique multi-shot. À l’origine, la solution la plus courante consistait à utiliser un seul capteur d’image avec trois filtres passés successivement devant le capteur pour obtenir les informations de couleur additives. Une autre méthode de prise de vue multiple est appelée Microscanning. Cette méthode utilise une seule puce de capteur avec un filtre Bayer et déplace physiquement le capteur sur le plan focal de l'objectif pour construire une image de résolution supérieure à la résolution native de la puce. Une troisième version combinait les deux méthodes sans filtre Bayer sur la puce.

La troisième méthode est appelée balayage car le capteur se déplace sur le plan focal un peu comme le capteur d'un scanner d'images. Les capteurs linéaires ou trilinéaires des caméras à balayage n'utilisent qu'une seule ligne de photocapteurs, ou trois lignes pour les trois couleurs. La numérisation peut être réalisée en déplaçant le capteur (par exemple, lors de l'utilisation d'un échantillonnage couleur co-site) ou en faisant tourner l'ensemble de la caméra. Une caméra numérique à ligne tournante offre des images d’une très haute résolution totale.

Le choix de la méthode pour une capture donnée est largement déterminé par le sujet. Il est généralement inapproprié de tenter de capturer un sujet qui bouge avec autre chose qu'un système à prise unique. Cependant, la fidélité des couleurs plus élevée et les tailles et résolutions de fichiers plus grandes disponibles avec les dos multi-prises et numérisés les rendent attrayants pour les photographes commerciaux travaillant avec des sujets stationnaires et des photographies grand format.

Les améliorations apportées aux appareils photo à prise unique et au traitement des fichiers d'images au début du 21e siècle ont rendu les appareils photo à prise unique presque complètement dominants, même dans la photographie commerciale haut de gamme.

Filtrer les mosaïques, l'interpolation et l'alias

La disposition Bayer des filtres de couleur sur la matrice de pixels d'un capteur d'image.

La plupart des appareils photo numériques grand public actuels utilisent une mosaïque de filtres Bayer en combinaison avec un filtre anti-crénelage optique pour réduire le crénelage dû à l'échantillonnage réduit des différentes images de couleurs primaires. Un algorithme de dématriçage est utilisé pour interpoler les informations de couleur afin de créer une gamme complète de données d'image RVB.

Les caméras qui utilisent une approche 3CCD à prise unique avec séparateur de faisceau, une approche multi-prise à trois filtres, un échantillonnage couleur co-site ou un capteur Foveon X3 n'utilisent pas de filtres anti-aliasing ni de dématriçage.

Le micrologiciel de l'appareil photo, ou un logiciel dans un programme de conversion brut tel qu'Adobe Camera Raw, interprète les données brutes du capteur pour obtenir une image en couleur, car le modèle de couleur RVB nécessite trois valeurs d'intensité pour chaque pixel : une pour chaque pixel. rouge, vert et bleu (d'autres modèles de couleurs, lorsqu'ils sont utilisés, nécessitent également trois valeurs ou plus par pixel). Un seul élément de capteur ne peut pas enregistrer simultanément ces trois intensités, c'est pourquoi un réseau de filtres de couleur (CFA) doit être utilisé pour filtrer sélectivement une couleur particulière pour chaque pixel.

Le motif de filtre Bayer est un motif mosaïque répétitif 2x2 de filtres de lumière, avec des filtres verts dans les coins opposés et des rouges et des bleus dans les deux autres positions. La forte proportion de vert tire parti des propriétés du système visuel humain, qui détermine la luminosité principalement à partir du vert et est beaucoup plus sensible à la luminosité qu'à la teinte ou à la saturation. Parfois, un motif de filtre à 4 couleurs est utilisé, impliquant souvent deux teintes de vert différentes. Cela fournit des couleurs potentiellement plus précises, mais nécessite un processus d'interpolation légèrement plus compliqué.

Les valeurs d'intensité de couleur non capturées pour chaque pixel peuvent être interpolées à partir des valeurs de pixels adjacents qui représentent la couleur en cours de calcul.