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24 oct. 2012

Comparaison entre l'oeil et l'appareil photo

vision-humaine-appareil-photo-numerique


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 et les fonctions d'un apn)


Pour finalement mettre en regard les performances de l'oeil et celles d'appareils photo récents.



Remarque: pour éviter d'alourdir le texte je parlerai, par abus de langage, d'oeil au lieu de "vision humaine", oeil au sens large: comme une synthèse de notre vision binoculaire et de notre cerveau.



Comparaison Œil / Capteur numérique


oeil capteur appareil photo
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).

à noter qu'il y a une "zone aveugle" sans cônes ni bâtonnets:

densite batonnets cones oeil
Densité des bâtonnets et des cônes dans l'oeil

Rien avoir donc avec les pixels bien rangés d'un capteur.


Pour pouvoir procéder à une analogie on peut considérer 2 choses:

  • Le champ de vision "confortable" (permettant de distinguer les formes) de l'oeil est de 40°
  • La résolution angulaire maximale de l'oeil 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'oeil perçoit le spectre du visible, de 380nm à 780nmentre les ultra-violets et les infra-rouges, 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'oeil dépend de la couleur, comme en témoigne cette courbe:

sensibilite oeil couleur
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.

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'oeil 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 ISO.


Profondeur de couleur


La profondeur de couleur caractérise le nombre de couleurs distinguables.

Pour un capteur numérique cela dépend in-fine 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'oeil lui est plus modeste, il distingue environ 8 millions de couleurs, que l'on peut ramener à un codage sur 23 bits.

Attention: alors qu'un appareil photo distingue les couleurs de manière continue l'oeil est beaucoup moins homogène, par exemple il distingue beaucoup mieux les nuances de couleur dans le bleu / violet que dans le vert /jaune.



Comparaison Œil / Objectif photo


comparaison oeil objectif photo
L'oeil vu comme un objectif photo


Longueur focale


La longueur focale 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-angles) à plusieurs centaines de mm (pour les télé-objectifs).

Il n'est pas aisé de définir la longueur focale de l'oeil, le champ de vision utile dépend des applications:

Situation Champ de vision
horizontal 
Focale équivalente
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).

Pour l'oeil 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


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'oeil 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 le flou créé par les objectif est très modeste.

Si l'on considère pour l'oeil un cercle de confusion standard de D/1730 alors ce CdC vaut 25µm sur un capteur plein format, d'où une résolution équivalente de 20lp/mm.


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'oeil).

Pour l'oeil, 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


comparaison oeil boitier appareil photo
L'oeil vu comme un boitier reflex

FPS


Les fps (frames per second) désignent le nombre de photo que l'on peut prendre en continu, par seconde.

Les reflexs ont un fps entre 4 et 10 images par secondes.

Pour l'oeil 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.


Item 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
FPS max
25
6
6
X
Latence (ms)
150-300
90
90
X
Focale (mm)
49
X
X
10-300
Ouverture
f/2-f/8
X
X
f/1.4-f/22
Distance de MAP
25cm - infini
X
X
10 x focale - infini
Résolution (lp/mm)
20
X
X
30-60
Vignetage
variable
X
X
-0.7EV
Distorsion
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..



Pour en savoir plus


Une étude de la perception visuelle humaine

Un article sur la physiologie de l'oeil



Dernière mise à jour le:
par Pierre LPEF