Comprendre les liens entre science et photographie, grâce à Stanford

Au-delà du côté artistique, la photographie repose sur de nombreux aspects techniques qui restent assez abscons pour un grand nombre de passionnés, surtout depuis l’avènement du numérique. Focale, exposition, profil colorimétrique, gamma, gamut… Ces notions vous semblent familières mais comprenez vous les principes physiques qui y sont liés?

Avec l’aide de son équipe, le professeur Marc Levoy de l’université de Stanford a mis à disposition des petites applications pour aider à comprendre ces notions essentielles dans le domaine photographique.

Un must-read, quelque soit votre niveau en Photo !

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Chercheur influent dans le domaine de l’imagerie numérique, Marc Levoy participa à l’élaboration et la conception de nombreux projets innovants dans ce domaine. On peut par exemple citer ses travaux sur la création de modèles numériques des sculptures de Michelangelo Buonarotti, dit Michel-Ange ; et sur la théorie du « Light field » qui sont à l’origine des appareils photographiques plénoptiques dont est issu le fameux Lytro. Il collabora également avec Google sur certains de leurs projets phares (dont « Street View », et le scanner de bouquins utilisé par leur service « Books ») ; d’ailleurs, il travaille actuellement sur un autre projet tenu secret avec ladite firme.

Pour en revenir au sujet principal, Marc Levoy propose donc un cours sur la photographie aux étudiants de l’université de Stanford ; dont les présentations et notes de la session 2011 sont accessibles en anglais à cette adresse. Afin de les aider à comprendre, son équipe et lui ont conçu des petites applications assez didactiques. En jouant avec les différents paramètres, ces graphiques interactifs vous permettront d’aborder plusieurs notions que l’on cite régulièrement dans les discussions un brin techniques.

Ces notions sont réparties ci-dessous sur plusieurs catégories avec des difficultés allant de tout niveau. Cependant, il vous faudra maîtriser un peu la langue de Shakespeare si vous souhaitez assimiler et maîtriser les différents points suivant :

 

• Paramètres influençant l’exposition

L’exposition d’une photo dépend à la fois de la sensibilité en ISO, du temps d’exposition et de l’ouverture de l’objectif. Outre le mode manuel où vous pouvez changer indépendamment les trois paramètres, les modes semi-automatiques sont également proposés : Ts/S pour le choix de la vitesse, ou Av/A pour l’ouverture.

 

 

• Physique relative aux lentilles minces

Dans cette partie, on peut observer que la réalité projetée au travers d’une lentille subit une transformation 3D, il y a là un effet de perspective.

 

 

• Physique relative aux lentilles gaussiennes

Suite à la précédente partie, on introduit cette fois-ci la notion de longueur focale d’une lentille, grandeur qui influence la position de l’image d’un point de l’espace réel. Cette application montre également les effets de la variation de la focale équivalente à un zoom ; des limites imposées par un capteur et le principe de grossissement.

 

 

• La profondeur de champs et ses dépendances

Cette application montre comment la longueur focale, l’ouverture, la distance du sujet et la taille du cercle de confusion influencent la profondeur de champs.

 

 

• Les zooms téléobjectifs

Ici, Marc Levoy présente la physique intervenant dans une version simplifiée d’un zoom du type téléobjectif.

 

 

• La convolution spatiale

Sans trop rentrer dans les détails et de façon imagée, une convolution est « une fonction de fonction mathématique ». En effet, on peut appliquer une transformation à une fonction sans connaitre les paramètres que l’on va injecter dedans. C’est le principe utilisé par les filtres numériques. Avec cette application, vous pourrez observer l’effet de fonctions simples ou personnalisées sur une photo numérique.

 

 

• L’autofocus utilisant la détection de phase

Avec la présence d’une surface réfléchissante comme un penta-prisme ou un penta-miroir, les reflex ont un principe d’autofocus automatique basé sur une correspondance de phase par triangulation. Avec cette application, vous pourrez recréer la démarche effectuée par l’autofocus afin de faire converger les rayons lumineux vers le capteur après la bascule de la zone réfléchissante.

 

 

• L’autofocus utilisant la détection de contraste

Au contraire, les appareils dépourvus d’une surface réfléchissante comme les APN ont un autofocus basé sur le changement de contraste. En effet, l’appareil balaye différentes longueurs focales jusqu’à atteindre le maximum d’intensité au niveau du ou des collimateurs sélectionnés.

 

 

• La correction du Gamma

Cette petite application montre l’importance du Gamma sur toute la chaîne de gestion de l’image, de l’appareil photo numérique, en passant par l’OS et l’écran, jusqu’à l’impression. Différents exemples de réglages vous sont proposés.

 

 

• Introduction à la colorimétrie

Le numérique reproduit l’ensemble du spectre des couleurs en associant des couleurs dites primaires. Le modèle le plus usité est la trichromie qui comporte le rouge, le vert et le bleu (RVB, ou RGB en anglais). Le profil de couleurs observées par la vision humaine peut ainsi être recomposé en fonctions chromatiques distinctes (ou fonction trichromatique) selon le modèle choisi.

 

 

• Correspondance des couleurs

Avec cette application, essayez de reconstituer lesdites fonctions chromatiques en retrouvant chaque couleur selon les différentes parts de bleu, rouge ou vert qui la composent. Vous devriez retrouver le profil colorimétrique de la vision humaine.

 

 

• Les diagrammes chromatiques

Toutes les teintes peuvent ainsi être représentées dans un graphique en 3D selon un référentiel donné comme par exemple la part respective de rouge, vert et bleu dans le modèle RVB. Dans cette partie, explorez les diagrammes chromatiques et la signification du profil 2D des couleurs perceptibles.

 

 

• Le profil du Gamut

Chaque type de support (e.g. capteurs numériques, écrans, encres d’imprimantes ou peintures) a une étendue de couleur limitée, liée aux contraintes physiques des matériaux qui le composent, qu’il est possible de définir et appelée gamut. Celui-ci ne peut décrire toutes les couleurs visibles par l’œil humain. Plus précisément, il peut faire apparaître toutes les teintes mais pas toutes les saturations.

 

 

• Les mélanges additifs ou soustractifs de couleurs

Un écran affiche une teinte par addition de différentes couleurs primaires. Au contraire, une imprimante donne une couleur par un mélange soustractif. Pour preuve, l’imprimante peut mélanger toutes les couleurs primaires afin d’obtenir du noir alors que l’écran aucune. Le but de cette application est de montrer pourquoi, pour proposer la plus grande gamme de couleurs, les couleurs primaires utilisées par les écrans sont généralement du type RVB ; et pour les imprimantes, ces couleurs sont le cyan, le magenta et le jaune (CMJ, ou CMY en anglais). Mais sont-elles les seules solutions possibles pour représenter l’ensemble des couleurs visibles? A vous d’y répondre en jouant avec les spectres des longueurs d’onde utilisés par chaque couleur primaire. Ce petit exercice permet aussi de comprendre pourquoi un gris neutre est généralement utilisé pour le calibrage de la balance des blancs.

 

 

• Les panoramas cylindriques

Cette dernière application présente une démonstration intéractive en 3D du processus utilisé pour la construction d’un panorama par le biais d’une projection cylindrique.

 

 

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Le petit cours s’achève ici. Si cela vous intéresse et que vous avez la possibilité de vous rendre en Californie, la session 2012 devrait commencer sous peu. En tout cas, si vous avez des questions (e.g. traduction, technique), n’hésitez pas à laisser un message dans les commentaires ou à venir nous rejoindre sur le forum pour discuter de toutes ces notions plus en détail.

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+ Cours de photographie numérique par M. Levoy, Printemps 2011

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