Théorie de la Caméra

1. Paramètres de l'exposition en photographie

• Exposition : quantité de photons atteignant le capteur ou la pellicule, contrôlée par la lumière reçue.
• Triangle d'exposition classique (diaphragme, vitesse, ISO) est incomplet :
  • ISO n'est pas un paramètre d'exposition car il amplifie le signal (et le bruit), sans modifier la quantité de lumière reçue.
• 4 vrais paramètres d'exposition :
  1. Luminosité / éclairement (intensité lumineuse sur la scène)
  2. Diaphragme (quantité de lumière entrant dans l'objectif)
  3. Temps de pose (durée pendant laquelle le capteur est exposé)
  4. Filtres ND (réduction de la lumière sans modifier la couleur)

2. Sensibilité ISO / ASA

• ISO : sensibilité du capteur numérique, analogue à l'ASA pour la pellicule.
• Valeurs typiques : 50 à 6400 ISO.
• Monter les ISO = amplifier le signal mais aussi le bruit, réduire la dynamique.
• ISO natif = sensibilité de base du capteur, modifiable mais avec perte de qualité.
• En vidéo LOG, l'ISO natif peut ne plus être valable.
• Monter les ISO peut entraîner des zones brûlées irréversibles en post-production.

3. Filtres ND (Neutres)

• Réduisent la quantité de lumière entrant dans l'objectif sans modifier la couleur.
• Utiles pour :
  • Ouvrir le diaphragme sans surexposer (réduire la profondeur de champ).
  • Allonger le temps de pose pour accentuer le flou de mouvement (motion blur).
• Fonctionnent comme des lunettes de soleil pour la caméra.

4. Quantité de lumière disponible : notions photométriques

• Flux lumineux ne dépend pas de la distance, mais de la puissance totale émise.
• Intensité est directionnelle, liée à un angle solide (stéradian).
• Éclairement est la lumière reçue sur une surface, mesurable avec un luxmètre.
• Luminance est la lumière réfléchie, seule directement perçue par l’œil.

5. Diaphragme

• Mécanisme circulaire composé de lamelles mobiles (iris) placé dans l'objectif, contrôle la quantité de lumière transmise.
• Ouverture exprimée en nombre d'ouverture $f$ (f-stop) :
  • Plus $f$ est petit, plus l'ouverture est grande (plus de lumière).
  • Plus $f$ est grand, plus l'ouverture est petite (moins de lumière).
• Influence la profondeur de champ :
  • Ouverture grande ($f/1.4$) → faible profondeur de champ.
  • Ouverture petite ($f/22$) → grande profondeur de champ (attention à la diffraction).
• Le flux lumineux transmis est proportionnel à la surface du diaphragme :
  $S = \pi r^2$
• Passer d'un f-stop à l'autre double ou divise par deux la surface, donc la quantité de lumière reçue.
• Plus le nombre de lamelles est élevé, plus l'ouverture est circulaire, améliorant le bokeh.

À retenir : L'exposition dépend de la quantité de lumière reçue (éclairement), du diaphragme (surface d'ouverture), du temps de pose, et des filtres ND. L'ISO modifie le signal mais n'est pas un paramètre d'exposition.

1. Pupille d'entrée et pupille de sortie

• Pupille d'entrée : image du diaphragme d'ouverture vue à travers le bloc optique avant. Elle détermine le flux lumineux entrant et la forme du bokeh.
• Pupille de sortie : image du diaphragme d'ouverture vue à travers le bloc optique arrière.
• Le diamètre de la pupille varie selon la focale et le nombre de lentilles.

2. Diaphragme et nombre d'ouverture (F-stop / N)

• Le nombre d'ouverture $N$ (ou $F$ en anglais) est un rapport sans dimension :

  $$N = \frac{f'}{A}$$

  où $f'$ est la distance focale et $A$ le diamètre de la pupille d'entrée (pas du diaphragme).

• Exemples :

  • 50 mm avec pupille d'entrée 25 mm → $F/2$
  • 50 mm avec pupille d'entrée 12,5 mm → $F/4$
  • 50 mm avec pupille d'entrée 6,25 mm → $F/8$

• Pour un diaphragme $F/11$ avec un 50 mm, diamètre pupille d'entrée :

  $$A = \frac{f'}{N} = \frac{50}{11} \approx 4,54 \text{ mm}$$

3. Ouverture photométrique (T-stop)

• Le T-stop tient compte de la transmission réelle de lumière à travers l'objectif, incluant pertes par réflexion et absorption.

• Transmission $T_0$ de l'objectif : proportion de lumière transmise, toujours $<1$.

• Relation :

  $$T.\text{stop} = \frac{F.\text{stop}}{\sqrt{T_0}}$$

• Exemple : un objectif donné $F/2$ avec transmission $T_0=0,64$ a un $T$-stop réel de $2,5$.

4. Bokeh

• Le bokeh est l'aspect esthétique du flou d'arrière-plan, lié à la forme de la pupille d'entrée.
• La forme de la pupille conditionne la forme des zones floues (ex : rond, hexagonal).
• Des diaphragmes spéciaux peuvent créer des formes de bokeh créatives.

5. Profondeur de champ (PDC)

Les 4 paramètres influençant la PDC sont :

La profondeur de champ est la zone devant et derrière le plan de mise au point où l'image est perçue comme nette.

6. Règles de progression des diaphragmes (f-stops)

• Chaque valeur de diaphragme correspond à une ouverture divisée par $\sqrt{2} \approx 1,414$ par rapport à la précédente.
• Progression typique (en tiers de stop) : 1, 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32, 45, 64, 90...
• Chaque étape double ou divise par deux la quantité de lumière reçue.

7. Résumé des relations clés

• Nombre d'ouverture : $N = \frac{f'}{A}$
• Transmission réelle : $T.\text{stop} = \frac{F.\text{stop}}{\sqrt{T_0}}$
• Profondeur de champ dépend de $N$, $f'$, $d$ et $CdC$.
• Bokeh dépend de la forme de la pupille d'entrée.

La pupille d'entrée détermine à la fois la quantité de lumière reçue et la forme du bokeh, tandis que le diaphragme contrôle la profondeur de champ via son ouverture.

1. Notion de Focalisation

• Focalisation (mise au point, MAP) : concentration des rayons lumineux d’un point objet en un point image sur le capteur/film.
• Pour un objet très éloigné, les rayons sont parallèles et convergent en un point via lentilles ou miroirs.
• Profondeur de champ (PDC) : zone de netteté entre le premier et le dernier plan net de l’image.
• Points en amont ou aval du plan de MAP forment des taches-image (bokeh), plus ou moins nettes selon leur distance à la MAP.

2. Profondeur de champ = Profondeur de foyer

• Points sur le plan de MAP → image nette (point).
• Points en amont/aval → taches plus ou moins nettes.
• Cercle de confusion (CdC) : diamètre maximal d’une tache perçue comme nette par l’œil humain.
• Profondeur de foyer : intervalle entre foyers avant (F1) et arrière (F2) où la tache-image reste ≤ CdC.
• Pas de profondeur de foyer = pas de profondeur de champ.

3. Cercle de confusion (CdC)

• Tolérance visuelle à la netteté : plus la tache est petite que CdC, plus elle est perçue nette.
• CdC dépend de :
  • Acuité visuelle de l’observateur.
  • Distance d’observation.
  • Grandissement (taille finale / taille origine).
• En photographie, CdC est souvent estimé par la formule de Zeiss :
  $CdC = \frac{D}{1730}$
  où $D$ est la diagonale du capteur en mm.
• CdC augmente avec la taille du capteur et le grandissement de l’image.
• En vidéo et cinéma, CdC est adapté selon la distance d’observation et l’angle de champ (~40°).

4. Formation d’image par l’œil humain

• Image formée sur la rétine (capteur naturel).
• La pupille (iris) contrôle la quantité de lumière.
• La cornée et le cristallin focalisent les rayons pour former une image nette.
• L’image se forme inversée sur la rétine, le cerveau la remet à l’endroit.
• Accommodation : ajustement du cristallin pour la netteté à différentes distances.

5. Acuité visuelle (critère de netteté angulaire $\alpha$)

• Capacité à distinguer deux points proches.
• Deux points sont distincts si leurs images tombent sur deux cônes différents (diamètre d’un cône ≈ 3 μm).
• Distance focale de l’œil $f' \approx 20$ mm.
• Angle minimal pour distinguer deux points :
  $\alpha \approx \frac{3 \times 10^{-3} \text{ mm}}{20 \text{ mm}} = 1.5 \times 10^{-4} \text{ rad} \approx 0.0086^\circ$
• Angle de champ d’attention de l’œil ≈ 40°, correspondant à une focale normale (~35 mm en photo).

6. Influence du diaphragme sur la profondeur de champ

• Plus le diaphragme est fermé, plus la PDC augmente car la tache floue diminue.

7. Influence de la focale sur la profondeur de champ

• À distance égale :
  • Focale longue → tache floue plus grande → PDC faible.
  • Focale courte → tache floue plus petite → PDC élevée.
• La focale est la distance entre le centre optique et le plan film pour une MAP à l’infini.

8. Influence de la distance de mise au point (MAP)

• Plus la MAP est grande (sujet éloigné), plus les rayons sont parallèles → tache floue plus petite → PDC plus grande.
• La PDC augmente avec la distance de MAP et se déplace vers l’infini.

9. Hyperfocale et profondeur de champ maximale

• Hyperfocale ($H_y$) : distance minimale de MAP pour que la PDC s’étende de $H_y/2$ à l’infini.
• Formule :
  $H_y = \frac{f^2}{N \cdot CdC}$
  où
  • $f$ = focale (mm)
  • $N$ = nombre d’ouverture (diaphragme)
  • $CdC$ = cercle de confusion (mm)
• Faire la MAP à l’hyperfocale maximise la PDC.
• Exemple : objectif 50 mm à f/4 → MAP à $H_y$ donne PDC de $H_y/2$ à l’infini.

À retenir : La profondeur de champ est la zone où les taches floues restent plus petites que le cercle de confusion, donc perçues comme nettes. Elle dépend de la focale, de l’ouverture du diaphragme, de la distance de mise au point et du cercle de confusion lié à la perception visuelle.

1. Logarithmes et filtres ND

a) Profondeur de champ (PDC)

• Premier plan net (PPN) :
  $PPN = \frac{Hd \cdot R}{H + (d - f)}$
  où $H$ est l'hyperfocale, $d$ la distance de mise au point (MAP), $R$ le cercle de confusion.

• Dernier plan net (DPN) :
  $DPN = \frac{Hd \cdot R}{H - (d - f)}$
  Si $d < H$, sinon $DPN \to \infty$ (division par zéro).

• Profondeur de champ (PDC) :
  $PDC = DPN - PPN$
  Si $d < H$, sinon la PDC s’étend jusqu’à l’infini.

• Règles clés :

  • Plus la MAP augmente, plus la PDC se déplace vers l’infini.
  • La PDC est maximale pour $d = H$.
  • Pour $d > H$, la PDC diminue en s’éloignant de la caméra.
  • Plus la focale est courte, plus la PDC est longue.
  • Plus la focale est longue, plus la PDC est courte.

b) Influence du capteur sur la PDC et le cadrage

• Taille du capteur :
  Plus le capteur est petit, plus la PDC diminue pour un même objectif et ouverture.

• Champ de l’objectif :
  Un même objectif donne un champ plus réduit sur un capteur plus petit, donnant l’impression d’une focale plus longue.

• Conséquence :
  Pour obtenir le même cadrage sur un capteur APS-C (ex. 2/3") qu’en plein format (35 mm), il faut utiliser une focale plus courte, ce qui augmente la PDC.

c) Angle de champ et crop factor

• Angle de champ horizontal :
  $\alpha = 2 \times \arctan\left(\frac{h}{2f}\right)$
  où $h$ est la largeur du capteur, $f$ la focale.

• Crop factor (facteur de recadrage) :
  $\text{Crop factor} = \frac{\text{taille capteur plein format}}{\text{taille capteur APS-C}}$

• Focale équivalente :
  $f_{\text{équivalent}} = f \times \text{Crop factor}$

• Exemple :

  • Capteur plein format : 36 × 24 mm (crop factor = 1)
  • Capteur APS-C Canon : 22,2 × 14,8 mm (crop factor ≈ 1,6)
    Un objectif 50 mm sur APS-C donne un champ équivalent à 80 mm (50 × 1,6).

d) Avantages comparés APS-C vs plein format

e) Focale normale

• Définition : focale donnant un angle de champ proche de la vision humaine (~40°).
• Utilisation : permet une vision neutre, sans déformation perceptible.
• Exemple : 50 mm en plein format.

f) Règle de la profondeur de champ à cadre égal

• Pour un même cadrage (même sujet en taille), la PDC est équivalente quel que soit la focale utilisée, à condition d’ajuster la distance de MAP.

• Exemple :

  • 36 mm à 0,5 m
  • 72 mm à 1 m
  • 144 mm à 2 m
    Tous donnent la même PDC (ex. 2 cm) à diaphragme constant.

• Effet visuel :
  La focale plus longue accentue le grandissement de l’arrière-plan, donnant une sensation de flou plus marqué.

g) Solutions pour augmenter la PDC en pratique

• Fermer le diaphragme (nécessite plus de lumière ou filtres ND).
• Utiliser une demi-bonnette (split diopter) pour avoir deux plans nets simultanément.
• Tourner en plusieurs passes avec différentes mises au point et superposer les calques (multi-passes).

h) Filtre ND (Neutral Density)

• Permet de réduire la quantité de lumière entrant dans l’objectif sans modifier la couleur.
• Utilisé pour pouvoir fermer le diaphragme tout en conservant une exposition correcte.
• Indispensable pour contrôler la PDC en conditions lumineuses.

À retenir : La profondeur de champ dépend de la focale, de la distance de mise au point, de l’ouverture et de la taille du capteur, mais à cadrage égal, la PDC reste constante en ajustant la distance. Les filtres ND sont essentiels pour gérer l’exposition lors de l’utilisation de diaphragmes fermés.

1. Transmittance d'un filtre

La transmittance d'un filtre caractérise la proportion de lumière qu'il laisse passer à travers lui, en fonction de la longueur d'onde.

2. Synthèse additive et perception des couleurs

• L’œil humain possède 3 types de cônes, sensibles chacun à une large gamme de longueurs d’onde (RVB).
• La perception des couleurs résulte de la synthèse additive des proportions de Rouge, Vert et Bleu transmises au cerveau.
• La longueur d’onde de 555 nm correspond au vert, couleur que l’œil humain perçoit le mieux.

3. Température de couleur (TC)

• La température de couleur d’une source lumineuse correspond à la couleur émise par un corps noir chauffé à une température donnée.
• Plus la température augmente, la lumière émise évolue du rouge vers le bleu (longueur d’onde courte).
• La température de couleur s’exprime en Kelvin (K), une échelle absolue où 0 K = -273,15 °C (zéro absolu).
• Sources thermiques (soleil, lampe à incandescence) suivent cette loi, sources non thermiques (LED, fluorescents) sont évaluées par comparaison.

4. Limites de l’échelle Kelvin pour les filtres

• La température de couleur en Kelvin suit une progression logarithmique, donc on ne peut pas additionner ou soustraire directement les valeurs.
• Exemple : un filtre ¼ CTO modifie la TC différemment selon la source (écarts non linéaires).

5. Échelle Mired (Micro Reciprocal Degree)

• Définie par $Mired = \frac{1\,000\,000}{T}$ avec $T$ en Kelvin.
• Avantages :
  1. Progression linéaire permettant addition et soustraction.
  2. La modification de TC par un filtre est constante, quelle que soit la source.
  3. Correspond mieux à la perception humaine des variations de couleur.
• Utilisée en photographie/cinématographie pour déterminer les filtres correcteurs.

6. Calcul d’écart en Mireds

$$\Delta Mired = \frac{1\,000\,000}{T_{filtre}} - \frac{1\,000\,000}{T_{source}}$$

• Exemple :
  • Entre 4000 K et 3200 K : $\Delta Mired = 63$ MK$^{-1}$
  • Entre 8750 K et 5600 K : $\Delta Mired = 63$ MK$^{-1}$
• Même filtre (ex. Lee Filters L206 = ¼ CTO) peut corriger ces deux écarts.

7. Choix des filtres selon le signe de $\Delta Mired$

8. Utilisation des filtres caméra et projecteurs

9. Thermocolorimètre : outil de mesure

• Mesure et compare les spectres lumineux.
• Indique la température de couleur mesurée (CCT).
• Calcule l’écart en Mireds entre source et cible.
• Propose les filtres nécessaires pour caméra et lumière.

10. Indice de rendu des couleurs (IRC ou CRI)

• Mesure la capacité d’une source lumineuse à restituer fidèlement les couleurs (0 à 100).
• Valeurs clés :

• Le soleil a un IRC proche de 100 (lumière parfaite).
• IRC moyen (Ra) est la moyenne des indices R1 à R8, mais ne garantit pas la fidélité des rouges (R9) et autres couleurs importantes pour la peau (R13, R15).

11. TM-30 : indice avancé de rendu des couleurs

• Amélioration du CRI, prend en compte 99 échantillons de couleurs.
• Indices clés :
  • $R_f$ : fidélité de rendu chromatique (0 à 100).
  • $R_g$ : indice de saturation (60 à 140, 100 = saturation normale).
• Représentation vectorielle des déviations de teinte et saturation.
• Indice spécifique pour la peau : $R_{f,skin}$.
• Permet une analyse plus précise et représentative que le CRI classique.

La transmittance d’un filtre modifie la température de couleur d’une source lumineuse de façon non linéaire en Kelvin, mais linéaire en Mireds, ce qui permet de choisir précisément les filtres correcteurs adaptés à la perception humaine.

1. Diffusion de Rayleigh

• Définition : La diffusion de Rayleigh est le phénomène par lequel les molécules de l'atmosphère terrestre (O₂, N₂, CO₂, vapeur d'eau) absorbent puis réémettent la lumière dans toutes les directions.
• Effet sur la couleur du ciel :
  • Les courtes longueurs d'onde (bleu) sont diffusées beaucoup plus que les longues (rouge).
  • Le ciel apparaît bleu en plein jour car la lumière bleue est plus diffusée vers l'observateur.
  • À l'aube et au crépuscule, la lumière traverse une plus grande épaisseur d'atmosphère, diffusant presque toute la lumière bleue, laissant passer les rouges/oranges.
• Cause principale : Ce sont surtout les molécules d'air qui provoquent cette diffusion, pas les poussières ou gouttelettes (sinon le ciel serait très variable en couleur).
• Conséquence : Le ciel est lumineux et non noir (contrairement à la Lune qui n'a pas d'atmosphère).

Le ciel est bleu car les molécules d'air diffusent préférentiellement la lumière bleue, phénomène appelé diffusion de Rayleigh.

2. Perspective atmosphérique (ou aérienne)

• Principe : Illusion de profondeur créée par un dégradé de tons/couleurs qui s'estompent avec la distance.
• Caractéristiques :
  • Les plans éloignés apparaissent plus bleutés et moins contrastés.
  • La diffusion du bleu augmente avec la distance, rendant les objets lointains plus "flous" et bleus.
• Origine artistique : Apparue au XVe siècle chez les maîtres flamands avec la peinture à l'huile (ex : Jan Van Eyck).
• Exemples célèbres : œuvres de Léonard de Vinci, Raphaël, Francesco Francia.

3. Résumé des points clés

4. Application pratique

• La couleur bleue du ciel est un indicateur d'une atmosphère respirable.
• En photographie et cinéma, la compréhension de la diffusion permet de mieux gérer la colorimétrie et la profondeur de champ atmosphérique.
• La perspective atmosphérique est utilisée artistiquement pour renforcer la sensation de profondeur.

La diffusion de Rayleigh et la perspective atmosphérique expliquent pourquoi le ciel est bleu et comment la distance influence la perception des couleurs et du contraste dans l'atmosphère.

1. Cellule et spotmètre

a) Notions clés sur la lumière et la distance

• Intensité lumineuse diminue avec la distance : à 10 m, la lumière est 10 fois plus faible qu'à 1 m.
• Proximité à la source : plus on est proche, plus la perte de lumière est perceptible.
• Éloignement : plus on s’éloigne, moins la perte de lumière est ressentie.

b) Le gris à 18%

• Définition : un gris moyen correspond à une réflectance de 18%, c’est la moyenne des valeurs de gris d’une scène bien exposée.
• Utilité : sert à calibrer le signal vidéo.
• Réflectance $R$ : proportion de lumière réfléchie par une surface, exprimée en %.

c) Waveform / Oscilloscope

• Axes :
  • $X$ : position spatiale dans l’image.
  • $Y$ : luminance (0 = noir, 100 = blanc).
• Clipping : signal saturé, perte de détails (ligne droite en haut du signal).
• Mode cumulé RVB : permet d’observer la luminance et les composantes couleur simultanément.
• LOG : enregistrement avec courbe gamma plate, aplatie pour mieux répartir les détails dans les hautes et basses lumières.
• False Color : visualisation colorée des plages de luminance, calibrée par caméra (exemple ARRI) :

d) Matrice de Bayer et capteur

• Capteur : composé de photosites sensibles uniquement à l’intensité lumineuse (niveau de gris).
• Matrice de Bayer : filtre en damier devant les photosites, répartissant les couleurs primaires (R, V, B).
  • 50% vert, 25% rouge, 25% bleu (sensibilité accrue au vert, proche de la perception humaine).
• Dé-bayerisation : interpolation des données brutes RAW pour reconstituer une image couleur.
  • Chaque pixel a une valeur pour une couleur primaire, les autres sont calculées par interpolation bilinéaire ou autres méthodes.
• RAW : données brutes non interprétées, non visualisables directement.
• Résolution : nombre de photosites (pas de pixels), la couche verte est plus définie.

e) Quad Bayer / Tetracell

• Adaptation à la lumière : regroupe 4 pixels adjacents en faible luminosité pour augmenter la sensibilité.
• Résolution variable : haute résolution en lumière forte, sensibilité accrue en faible lumière.
• Utilisé dans certains smartphones et drones.
• Attention à la compatibilité logicielle avec les RAW classiques.

f) Gamut (espace colorimétrique)

• Définition : étendue des couleurs qu’une caméra ou un écran peut enregistrer ou afficher.
• Œil humain : espace le plus large, environ 8 millions de nuances, représenté par l’espace $L^*a^*b^*$.
• Représentations :
  • 3D : $L^*a^*b^*$ (mathématique).
  • 2D : diagramme CIE, où la surface verte est deux fois plus grande que rouge ou bleu, reflétant la sensibilité de l’œil.

La matrice de Bayer et le spotmètre sont conçus pour correspondre à la perception humaine, optimisant la capture et la mesure de la lumière et des couleurs.

1. Loi du carré inverse

La loi du carré inverse décrit comment l'intensité lumineuse reçue par un capteur ou un objet varie en fonction de la distance à la source lumineuse.

a) Énoncé de la loi

• L'intensité lumineuse $I$ reçue est inversement proportionnelle au carré de la distance $d$ entre la source et le point d'observation :

  $$I \propto \frac{1}{d^2}$$

• Formellement, si $I_0$ est l'intensité à une distance de référence $d_0$, alors pour une distance $d$ :

  $$I = I_0 \times \left(\frac{d_0}{d}\right)^2$$

b) Conséquences pratiques

• En doublant la distance à la source, l'intensité lumineuse reçue est divisée par 4.
• Cette loi est fondamentale pour comprendre la chute de luminosité dans la capture d'image et la modélisation des capteurs.
• Elle explique pourquoi les objets éloignés apparaissent moins éclairés.

c) Application en théorie de la caméra

• Le capteur reçoit une quantité de lumière qui diminue selon la loi du carré inverse.
• Cette variation doit être prise en compte pour le réglage de l'exposition, la gestion de la dynamique et le traitement du signal.
• La loi justifie l'importance d'un bon calibrage de la distance et de la sensibilité ISO pour obtenir une image correctement exposée.

À retenir : L'intensité lumineuse reçue par un capteur diminue proportionnellement à l'inverse du carré de la distance à la source lumineuse.

1. Sensibilité, dynamique et exposition

• Sensibilité (EI/ISO) : capacité du capteur ou pellicule à réagir à la lumière, influençant la quantité de lumière nécessaire, le bruit/grain, la dynamique et le contraste.
• Effet de l’EI sur la dynamique :
  • Augmenter l’EI → décale la dynamique vers les hautes lumières → perte de détails dans les ombres.
  • Baisser l’EI → décale la dynamique vers les ombres → perte de détails dans les hautes lumières.
• Stratégie d’exposition : en tournage, on surexpose souvent d’environ 1 diaph pour réduire le bruit dans les basses lumières à l’étalonnage.

2. RAW et formats d’enregistrement

• RAW : données brutes du capteur, conservant la dynamique maximale et la liberté sur balance des blancs, exposition, contraste.
  • L’EI est une métadonnée, n’influe pas sur l’électronique du RAW.
  • Nécessite un dématriçage (débayerisation) pour obtenir une image RGB.
• ProRes : format compressé Log-C en 10 ou 12 bits, image définitive enregistrée sur média.
• Proxys : formats compressés, légers, peu coûteux en stockage, mais peu adaptés à l’étalonnage précis.

3. Workflow ARRI (exemple)

4. Sensibilité : ASA, ISO, DIN, EI

5. Pellicule argentique : caractéristiques clés

• Sensitométrie : mesure la réaction de la pellicule à la lumière via une courbe gamma (axe X = diaphs, axe Y = densité).
• Dynamique : nombre de diaphs entre noir et blanc enregistrables.
• Gamma :
  • Élevé → contraste fort, faible dynamique.
  • Faible → contraste doux, grande dynamique.
• Balance des couleurs : pellicules tungstène (3200 K) et lumière du jour (5600 K) avec filtres correcteurs (ex. filtre 85B réduit la sensibilité apparente).
• Grain : plus les grains de bromure d’argent sont gros, plus la pellicule est sensible et granuleuse.
• Couleur : pellicule fonctionne en synthèse soustractive avec liquides de coupleurs colorés (vert → magenta, rouge → cyan, bleu → jaune).

6. Développement pellicule : push & pull

7. Limitations optiques et influence du diaphragme

• Aberrations optiques : coma, sphériques, géométriques, chromatiques, liées à la forme et qualité des lentilles.
• Diaphragme fermé :
  • Augmente la profondeur de champ.
  • Provoque la diffraction → perte de netteté et de contraste.
• Conseil : pour grande profondeur de champ avec vitesse lente, privilégier un filtre ND plutôt que fermer trop le diaphragme.

À retenir : L’EI modifie la répartition de la dynamique entre ombres et hautes lumières, imposant des compromis d’exposition adaptés à chaque situation. Le RAW conserve la dynamique maximale et la flexibilité en post-production, tandis que le choix du diaphragme impacte netteté et profondeur de champ via la diffraction.

1. Diffraction en optique

a) Définition et origine

• La diffraction est la déviation et la déformation des ondes lumineuses lorsqu'elles passent à travers une ouverture étroite (diaphragme) ou contournent un obstacle.
• Elle provoque une dégradation progressive de l’image lorsque le diaphragme est trop fermé.

b) Phénomène fondamental

• En optique idéale (conditions de Gauss), l’image d’un point lumineux devrait être un point.
• En réalité, la lumière subit une diffraction au passage par le diaphragme, ce qui produit une tache lumineuse centrale entourée d’anneaux concentriques d’intensité décroissante : la tache d’Airy.

c) Tache d’Airy

• Résultat de l’interférence entre ondes diffractées :
  • Interférence constructive → zones lumineuses
  • Interférence destructive → zones sombres
• L’image d’un point lumineux n’est donc jamais un point parfait mais une tache avec des anneaux.
• La tache d’Airy est caractéristique de la diffraction et ne doit pas être confondue avec le cercle de confusion.

d) Relation tache d’Airy / cercle de confusion

e) Influence de l’ouverture du diaphragme

• Plus le diaphragme est fermé (N grand) :
  • La tache d’Airy grandit → diffraction plus visible → dégradation de la netteté et du contraste.
• Plus le diaphragme est ouvert (N petit) :
  • La tache d’Airy rétrécit → diffraction moins visible → meilleure netteté.

f) Calcul du diamètre de la tache d’Airy (critère de Rayleigh)

$$D = 2,44 \times \lambda \times N$$

• $D$ : diamètre de la tache d’Airy (en mètres ou nm)
• $\lambda$ : longueur d’onde (en nm, typiquement 550 nm pour la lumière visible)
• $N$ : nombre d’ouverture (f-stop)

Exemple :
Pour $\lambda = 550$ nm et $N=8$

$$D = 2,44 \times 550 \times 8 = 10\,736 \text{ nm} = 10,7 \mu m$$

g) Critère de Rayleigh pour la résolution

• Deux points lumineux sont résolus si le premier minimum de la tache d’Airy d’un point coïncide avec le maximum de l’autre.
• Si les taches d’Airy se chevauchent trop (distance < moitié du diamètre), les points ne sont plus distinguables → perte de résolution.

h) Impact sur la photographie et le cinéma

• La diffraction limite la résolution effective des capteurs, surtout avec des photosites petits (pixels).
• Si la tache d’Airy dépasse la taille d’un photosite, elle pollue les pixels voisins, réduisant la netteté.
• Les capteurs haute résolution (pixels plus petits) sont donc plus sensibles à la diffraction.
• Le choix du diaphragme est crucial pour équilibrer netteté et profondeur de champ.

i) Résumé des effets

À retenir : La diffraction impose une limite fondamentale à la résolution optique, liée à la taille de l’ouverture et à la longueur d’onde. Trop fermer le diaphragme dégrade la netteté par diffraction.

1. High Speed et Grande Vitesse

a) Définitions et principes

• High speed : cadence de prise de vue supérieure à la vitesse normale (ex. 100 fps pour ralenti léger, 200 fps et plus pour ralenti très marqué).
• À partir de ~200 fps, les caméras classiques atteignent leurs limites (besoin de capteurs spécifiques, débits très élevés, éclairage puissant).
• Relation fps / durée projetée (projection à 25 fps) :

Toujours déterminer la durée souhaitée du ralenti au montage pour choisir la cadence de tournage.

• Il est préférable de tourner à moins d’images par seconde puis d’accélérer que l’inverse (évite les saccades).

b) Impact technique sur les caméras

• Augmentation de la cadence d’image entraîne souvent une baisse de résolution due au crop du capteur (utilisation d’une portion plus petite).
• La caméra fonctionne comme un ordinateur : processeur, mémoire RAM, vitesse d’écriture, support d’enregistrement.
• Exemple : RED Dragon X propose différents formats selon la cadence.

c) Caméras spécialisées High Speed

• Caméras dédiées à la grande vitesse, numériques (Phantom Flex 4K) ou pellicule (Phoenix, Photosonic).
• Fonctionnement : enregistrement en continu dans une mémoire tampon (RAM), on appuie sur REC pour arrêter, pas pour démarrer.
• La taille de la mémoire tampon détermine la durée maximale d’enregistrement.

d) Ramping (Speed Ramping)

• Technique consistant à changer la vitesse à l’intérieur d’un même plan (ex. tournage à 500 fps avec accélération puis ralenti au montage).
• Principe : tourner à la cadence la plus élevée possible.
• Attention : accélération provoque saccades, réduction du motion blur, rendu parfois moins naturel.
• Sur pellicule, bouton de shift accélère le moteur, modifiant la cadence en cours de prise, nécessitant un ajustement du diaphragme via moteur programmé.
• Profondeur de champ reste identique.

e) Perception de la vitesse et focale

• Le cerveau interprète la vitesse en fonction de la distance apparente.
• Exemple fictif à 800 fps :

• Le plan au 100 mm semble plus rapide alors que l’action est identique.
• Solution : adapter la cadence en fonction de la focale (si focale ×2, cadence ÷2).

f) Contraintes techniques du High Speed

g) Diagrammes photométriques

• Outils pour comparer projecteurs, analyser puissance lumineuse et répartition de la lumière.

h) Perception visuelle

• Le cerveau construit la perception visuelle, parfois en contradiction avec la réalité physique (ex. ombre pas forcément plus sombre, miroir n’inverse pas droite/gauche).

À retenir : Le high speed permet de créer des ralentis très marqués en tournant à des cadences élevées, mais impose des contraintes techniques fortes (éclairage, stockage, résolution). La perception de la vitesse dépend aussi de la focale utilisée, qu’il faut ajuster en conséquence.

1. Distance orthoscopique

Définition
La distance orthoscopique est la distance entre le centre optique de la caméra et le plan image, où l'image est nette sans déformation de perspective.

2. Propriétés clés

• Distance orthoscopique = distance focale dans une caméra orthoscopique idéale.
• Permet d'obtenir une image sans effet de perspective (pas de convergence des lignes parallèles).
• Utilisée pour des mesures précises et des applications où la géométrie doit être conservée.

3. Formule fondamentale

Si $f$ est la distance focale, alors la distance orthoscopique $d_o$ est donnée par :

$$d_o = f$$

4. Application pratique

• En photographie ou vidéo, la distance orthoscopique correspond à la position où l'objet est net sans distorsion.
• Utile en photogrammétrie et vision par ordinateur pour calibrer la caméra.

À retenir : La distance orthoscopique est égale à la distance focale et garantit une image sans déformation de perspective.

1. Bruit en image numérique

a) Types de bruit en caméra numérique

b) Définitions clés

• Bruit de lecture : bruit généré lors de l'amplification et conversion du signal analogique en numérique, causé par imperfections électroniques.
• Bruit de conversion (ADC) : erreur liée à la quantification du signal analogique en valeurs numériques discrètes.
• Pixels morts : pixels ne captant plus d'information, remplacés par interpolation.
• Pixels chauds : pixels trop sensibles, créant des taches colorées, visibles surtout en longue exposition ou ISO élevé.
• Bruit fixe / spatial : bruit constant lié aux défauts du capteur, corrigible par cartographie.
• SNR (Signal to Noise Ratio) : rapport entre signal utile et bruit, exprimé souvent en décibels (dB). Plus le SNR est élevé, meilleure est la qualité d'image.

c) Formules importantes

• Décibel (dB) : mesure logarithmique d’un rapport, adaptée à la perception humaine.

$$D_{yn}(dB) = 20 \times \log_{10} \left(\frac{A}{B}\right)$$

• Relation décibel / diaphragme :

$$D_{yn}(dB) = 20 \times \log_{10}(2) = 6,02 \, dB$$

(1 diaph correspond à un facteur 2 en intensité lumineuse)

• Rapport Signal sur Bruit (SNR) :

$$SNR = \frac{S}{O_S + (i_R \times t) + N_M}$$

avec $S$ le signal, $O_S$ le bruit d'obscurité, $i_R$ le courant de bruit thermique, $t$ le temps d'exposition, $N_M$ le bruit de lecture.

d) Principes et observations

• Plus il y a de lumière utile, moins le bruit est visible.
• Le temps de pose influence le type de bruit dominant :
  • Longue pose → moins de bruit de photon, plus de bruit thermique.
  • Courte pose → plus de bruit de photon, moins de bruit thermique.
• Le nombre de bits du convertisseur ADC détermine la précision du signal numérique : 16 bits offre une meilleure fidélité que 8 bits.
• Le bruit fixe (pixels morts, chauds, bruit de colonne) peut être cartographié et corrigé par interpolation ou masquage.
• Le bruit de lecture est aléatoire et plus difficile à éliminer, mais peut être réduit par refroidissement et électronique optimisée.

e) Équivalence argentique / numérique

• En argentique, les poses longues réduisent le grain, comme en numérique elles réduisent le bruit de photon.
• Le bruit numérique est comparable au grain et aux défauts chimiques en argentique.

f) Résumé des compromis essentiels

Pour optimiser la qualité d’image, il faut équilibrer :

• Temps de pose
• Sensibilité ISO
• Ouverture
• Température du capteur

Le bruit total est la somme du bruit d’obscurité et du bruit de lecture, le bruit de photon étant inclus dans le signal lui-même.