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Profondeur de champ et capteurs numériques

                          Les utilisateurs de boîtiers numériques font le même constat: la profondeur de champ en numérique n'est pas la même qu'en argentique. Il est assez facile en effet de vérifier ce phénomène: la profondeur de champ en numérique semble moins importante qu'en argentique, d'autant que la netteté parfaite des images numériques et l'absence de grain  accentuent la perception de cette différence. Pour ceux qui ont d'utiliser des tables de profondeur de champ en numérique, il est clair que les tables calculées sur les critères du monde argentique sont fausses et ne permettent pas de prévoir la profondeur de champ réelle des images issuent d'un capteur numérique.

                          D'un point de vue théorique, la profondeur de champ n'existe pas: tout ce qui est en avant ou en arrière du plan de mise au point n'est pas net. Dans la pratique, nous voyons bien qu'il existe une plage de distance en avant et en arrière de la distance de mise au point qui paraît nette. Je dis bien qui " paraît" nette car cette notion de netteté est une notion subjective puisque la netteté décroît progressivement en avant et en arrière du plan de mise au point. Pour définir la profondeur de champ il faut donc définir partir de quel degré de netteté va-t'on considérer qu'un détail est  restitué net ou flou. On défini cette tolérance sous la notion de de confusion qui est prise en compte dans les calculs.

                          La formule ci-dessous nous donne le calcul de la profondeur de champ pour une distance de mise au point largement supérieure à la focale ( cette formule n'est pas valable en macro ):  ce calcul se passe en 3 temps: calcul de l'hyperfocale puis calcul de la distance nette proche puis nette lointaine, enfin la profondeur de champ finale de la prise de vue qui est la différence entre la distance nette lointaine et la distance nette proche.

                        Nous voyons qu'il existe 2 types de variables dans ces formules: celles qui sont directement dépendantes des conditions de prises de vues: diaphragme, focale, distance de mise au point et la variable C qui n'est pas dépendante des conditions de prises de vues mais qui est le cercle de confusion et défini arbitrairement la tolérance de netteté minimum admissible pour qu'un détail soit considéré comme parfaitement restitué.

 


  Cercle de confusion ( document wikipédia )

                          Historiquement en argentique, la valeur du cercle de confusion était choisie en fonction du format du film utilisé ( 24x36mm, moyen format, plan-film ), ou de la taille des tirages prévus ( rapport d'agrandissement ). En effet, un négatif agrandi 5 fois n'a pas besoin du même niveau de netteté qu'un négatif agrandi 20 fois. Plus le format de film était petit et plus la valeur du cercle de confusion devait donc être petite. En 24x36mm argentique par exemple la taille du cercle de confusion était définie à 0.030mm ( 30µm ) chez les opticiens japonais mais chez Leica les tables de profondeur de champ étaient calculées avec une valeur plus restrictive ( soit 25µm ). Notez bien que la variation de cette valeur ne change pas la profondeur de champ réelle sur les prise de vues mais permet de calculer des tables de profondeur de champ en rapport avec la réalité.

                          De nos jours en numérique, le problème est différent: la taille du capteur n'est plus en relation directe avec sa définition, il existe des capteurs APS-C de 24  millions de pixels et des capteurs 24x36 de 12 millions de pixels, il n'est donc plus possible de définir une valeur du cercle de confusion basée simplement sur la taille du capteur.  De plus lors de la prise de vue il est rarissime de pouvoir déterminer dans quel format les images seront tirées.

                          L'avantage en numérique c'est que l'on connait généralement la taille des photosites qui composent le capteur et c'est sur cette base que j'ai essayé de déterminer une valeur concrète du cercle de confusion qui permettrait de calculer des tables de profondeur de champ en rapport avec la réalité.


Les tests

                          Les tests ont été réalisés avec deux boîtiers très différents: un moyen format numérique pentax 645D ( taille des photosites 6.6 µm ) et un compact numérique ancien Canon S80 ( taille des photosites 4.7µm ). Les différences extrèmes de focales et de capteurs entre ces systèmes de prise de vue permettront de valider les résultats: si les valeurs trouvées sur un capteur 33x44mm sont valables sur le capteur minuscule du S80 c'est que ces valeurs devront fonctionner avec une large palette de boîtiers.


une des mires utlisées pour ce test

                          Une première série de prise de vue a été réalisée sur une mire comportant des marches d'escalier de 5mm, la mise au point étant faite précisément sur un repère de la mire, nous avons mesuré la prondeur de champ réelle de la prise de vue en observant à 100% les images à l'écran. En déterminant ainsi la profondeur de champ réelle, il est facile de trouver la valeur C du cercle de confusion à partir des formules de calcul de la profondeur de champ.
 

BOITIER

TAILLE DES PHOTOSITES

FOCALE

DIAPH

DISTANCE DE MISE AU POINT

PROFONDEUR DE CHAMPS REELLE MESUREE

CdC
Cercle de Confusion résultant du calcul

Facteur
CdC / photosite

Canon S80

4.7µm

20.7mm

f/5.6

37cm

25mm

6.9µm

x 1,46

Canon S80

4.7µm

7mm

f/2.8

54cm

240mm

7.01µm

x 1.49

Pentax 645D

6.6µm

75mm

f/11

115cm

52mm

10µm

x 1.51

Pentax 645D

6.6µm

200mm

f/5.6

3.49m

32mm

9.5µm

x1.43


                          Il est intéressant de
comparer la valeur de la  taille d'un photosite avec la valeur du cercle de confusion résultant du calcul ( appelé Facteur dans le tableau ):
- pour le
Canon S80 nous avons des photosites de 4.7µm et une valeur de cercle de confusion calculé  résultant de 6.9µm, pour la focale de 20.7mm et 7.01µm pour la focale 7mm,  soit respectivement 1.46 fois et 1.49 fois la taille d'un photosite ( facteur x1.46 et x1.49 ).
- pour le
Pentax 645D, avec les deux optiques  75mm et 200mm nous trouvons des valeurs de cercle de confusion proches: 10µm et 9.5µm comparés au 6.6µm de la taille d'un photosite nous obtenons un facteur de x1.51 ( 75mm )  ou x1.43 ( 200mm ).

                          D'après ces premiers tests en studio, nous pouvons en déduire une tendance: en numérique une valeur réaliste du cercle de confusion ( puisque calculée à partir d'exemples concrets et variés  ) serait de multiplier par 1,5 la taille d'un photosite. Ceci dans le but d'obtenir par le calcul des tables de profondeur de champ fiables quelle que soit la taille ou la résolution des capteurs.

                        Nous pouvons vérifier par ailleurs que l'utilisation d'anciennes tables " argentiques " basées sur un cercle de confusion de 30µm ou plus serait une erreur puisque dans tous les cas un capteur numérique moderne nécessite de prendre en compte un cercle de confusion 3 à 5  fois plus petit que celui utilisé en argentique 24x36. Dans le tableau ci-dessous, vous voyons clairement que la profondeur de champ en argentique est très largement supérieure à celle obtenue avec des boîtiers numériques, ceci dans des conditions de prises de vues identiques.
 

Boîtier

Taille photosites

CdC résultant

portrait avec un 85mm à f/4
mise au point à 2 mètres

net proche

profondeur de champ

net lointain

Canon 5D

8,2µm

12,3µm

1.974m

5.5cm

2.029m

Canon 5D MkII

6,4µm

9,6µm

1.98m

4.3cm

2.022m

Canon 7D

4,3µm

6,5µm

1.986m

2.9cm

2.015m

Sony Alpha 77

3,9µm

5,9µm

1.988m

2.6cm

2.014m

boîtier argentique CdC = 0.030mm

x

30µm

1.938m

13.3cm

2.072m

comparaison de la profondeur de champ en argentique et en numérique
selon la taille du cercle de confusion ( CdC ) pris en compte pour les calculs

 


                      Voyons maintenant si cette valeur pour le cercle de confusion est vérifiée sur des prises de vues en extérieur à des distances lointaines. Nous utiliserons l'excellent logiciel " Profondeur de champ  v1.6 " signé Pierre Chauveau ( téléchargeable ici ) pour le calcul théorique de la profondeur de champ. Suite à la publication de la page que vous lisez actuellement, l'auteur de ce logiciel a en effet intégré la possibilité de choisir une taille de photosite ainsi qu'un facteur multiplicateur, le cercle de confusion étant calculé en fonction de ces valeurs.
                        Ces calculs ont été effectués avec une taille de photosite de
6.6µm et un facteur multiplicateur de 1,5. Le cercle de confusion résultant étant de 9.9µm ( soit 1.5 fois la taille d'un photosite du Pentax 645D ).

 


passez la souris sur l'image pour voir la prise de vue réalisée avec une mise au point à 320 mètres
extrait 100% - Pentax 645D

                          La prise de vue ci-dessus a été réalisée avec un Pentax 645D, au 200mm à f/11, avec la mise au point faite sur le bateau ( distance 190 mètres ) au premier plan dans un premier temps et ensuite avec la mise au point sur le réverbère au milieu des arbres ( distance 320 mètres ). Les façades d'immeubles dans le lointain sont à 2080 mètres ( relevé des distances effectué dans google earth ).

                          Mise au point 190 mètres: sans surprise, le bateau est parfaitement net puisque la mise au point y est effectuée, on note que le réverbère est bien net et que  les façades d'immeubles dans le lointain sont floues. Voyons ce que donne le calcul de la profondeur de champ pour cette distance:


calcul de la profondeur de champ pour une mise au point à 190 mètres
Pentax 645D, 200mm, f/11, CdC 9.9µm

                          Le calcul donne une zone de netteté qui s'étend de 125 mètres à 394 mètres, ce qui confirme les résultats visuels: le lampadaire situé à 320 mètres est bien dans la zone de netteté alors que les immeubles dans le lointain situé à 2080 mètres sont en dehors de la  zone de netteté.

                          Mise au point 320 mètres: le réverbère et le bateau au premier plan sont bien nets, nous notons que les façades d'immeubles sont parfaitement nettes, contrairement à la prise de vue avec la mise au point à 190 mètres.


calcul de la profondeur de champ pour une mise au point à 320 mètres
Pentax 645D, 200mm, f/11, CdC 9.9µm

                          Le calcul donne cette fois une zone de netteté qui s'étends de 171 mètres à 2495 mètres, ce qui confirme bien l'inspection visuelle: toute la scène photographiée est bien contenue dans la zone de netteté.


Conclusion

                          Les tests que nous venons d'effectuer nous montrent clairement que le calcul de la profondeur de champ dans le monde numérique nécessite de prendre en compte une valeur de cercle de confusion définie non plus en fonction du format du film mais en fonction de la taille des photosites du capteur du boîtier utilisé multiplié par un facteur de 1.5.

                          Ce facteur de 1.5 peut être ajusté selon votre degré d'exigence, sachant que quelqu'un qui ne tire ses images qu'en petit format pourra augmenter ce facteur sans que cela ne soit dérangeant sur les tirages, mais qu'un photographe exigeant qui tire ses images en grand format pourra utiliser ce facteur de 1.5 afin de prédire la zone de netteté effective des prises de vues.


échelle de profondeur de champ
sur une optique télémétrique

                          Les échelles de profondeur de champ gravées sur le fût des objectifs sont à prendre avec des pincettes: souvent elles sont calculées avec une valeur de cercle de confusion non adaptée à une utilisation en numérique.  Chez Leica par exemple elles sont calculées avec une valeur de 25µm, tout à fait valable en argentique mais totalement hors sujet si vous montez vos optiques M sur un M8 ou un M9! Sur un M8 ou un M9 la taille des photosites est 7µm , mutipliez par 1.5 cela donne 10,5 µm pour un cercle de confusion réaliste et pas 25µm! L'échelle de profondeur de champ gravée sur les objectifs est donc largement surestimée vous utilisez vos optiques sur des boîtiers numériques.

                          Je vous invite à utiliser le logiciel " Profondeur de champ v1.6b" de Pierre Chauveau ( téléchargeable ici ) qui vous permettra de réaliser vos propres tests mais aussi de réaliser vos propres tables de profondeur de champ pour votre matériel selon vos spécifications. Ce logiciel permet en outre le calcul de la vitesse minimum d'obturation afin d'éviter le flou de bougé à main levée en tenant compte de la taille des photosites du capteur.

 

page écrite en novembre 2011


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