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phorum - équipements et procédés - article Emmanuel Bigler film capteur résolution

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 article Emmanuel Bigler film capteur résolution
Auteur: romain 
Date:   05-03-2007 07:00

Merci Emmanuel pour cet article intéressant qui analyse en détail ce qui se passe au sein d'un capteur. Je relis régulièrement pour tenter d'y comprendre toutes les informations.

Ce papier introductif vous permettra sans doute de postuler à cette offre de financement:

« Bourses doctorales sciences pour l'ingénieur
- Systèmes orbitaux -
- Modélisation de la FTM des capteurs d’images - Sujet n° 28 - -
- La FTM (fonction de transfert de modulation) des capteurs d’images est une des performances critiques pour la qualité des images satellites, en particulier pour les applications d’observation de la Terre haute résolution.
Aujourd’hui, la prédiction de la FTM d’un détecteur (qu’il soit de type CCD ou CMOS) est difficile, par manque de connaissance précise des paramètres qui la déterminent : effet des couches de passivation, de l’antireflet, role des microlentilles, épaisseur du matériau détecteur, dopage des couches actives, tensions appliquées sur le détecteur, forme du pixel,…
D’autre part, l’impact des conditions de mesure est aujourd’hui mal connu : méthode de mesure (bord de plage, mire, bord de plage incliné,…), niveau de signal, ouverture optique,….
L’objet de cette thèse sera de
- déterminer de façon théorique tous les paramètres d’influence de la FTM,
- réaliser une modélisation de la performance de FTM en fonction de ces paramètres,
- déterminer de façon théorique et expérimentale les effets des conditions de mesure sur la performance mesurée,
- valider la modélisation par des mesures sur détecteurs existant. »

Je suis impatient de lire la suite avec des précisions sur le rapport signal bruit meilleur des CCD par rapport aux films et une efficacité quantiques qui va nous permettre de prendre moins de rayons X quand on va se faire photographier chez le radiologue.

Une remarque...

Ce qui est très intéressant c'est que le pixel a une dimension physique puisque qu'on peut l'assimiler à un photosite (qui a une forme et une répartition précise et différente suivant les capteurs (parenthèse dans parenthèse un calcul prenant en compte la distance interphotosite changerait beaucoup de chose à ces calculs théoriques de FTM) mais qu'en suite il n'en a plus!! Dans le traitement informatique du signal le pixel existe sans dimension et en plus avec une forme parfaite de carré. Ceci permet de réduire et de maîtriser complètement la granulation finale de l'image (granulation ne doit pas être le terme adéquat) et donc de donner une structure moins visible que l'argentique d'où permettre des agrandissement plus important.
À cela se rajoute le problème de bruit dont vous parlez.

une question...

La FTM donné par les fabriquants d'émulsion diffère énormément de la pratique sur le terrain et que une FTM de 50cycles/mm est beaucoup plus réaliste que sur le terrain
si on refait le calcul pour un 6x6cm on arrive à un total de (100x56)² soit 31 million de pixel et on voit qu'on est en dessous d'un capteur CCD 39 millions de pixels qui de plus est plus petit presque de moitié que le 6x6 (puisque sa taille est de 36x48 mm) donc le film serait-il loin derrière même si l'on tente un raisonnement sur la base de la FTM? (ceci en comparaison avec votre calcul basé sur le 100 cycles/mm)

romain


 
 Re: article Emmanuel Bigler film capteur résolution
Auteur: Emmanuel Bigler 
Date:   05-03-2007 17:49

Bonjour, Romain.

Ce papier introductif vous permettra sans doute de postuler à cette offre de financement:

« Bourses doctorales sciences pour l'ingénieur

Si vous avez la référence plus précise de l'organisme qui propose cette thèse, cela pourrait intéresser l'un de nos lecteurs et futurs doctorants !
Une thèse c'est trois ans de travail à plein temps... donc il est clair que dans un petit article poru galerie-photo, on ne peut qu'esquisser quelques idées !


Je suis impatient de lire la suite avec des précisions sur le rapport signal bruit meilleur des CCD par rapport aux films et une efficacité quantiques qui va nous permettre de prendre moins de rayons X quand on va se faire photographier chez le radiologue.

La façon de tourner cette phrase montre que vous connaissez déjà la réponse ;-)
Le contenu de la suite de l'article n'est pas encore totalement défini.. à suivre donc ;-)

Une remarque...

Ce qui est très intéressant c'est que le pixel a une dimension physique puisque qu'on peut l'assimiler à un photosite (qui a une forme et une répartition précise et différente suivant les capteurs (parenthèse dans parenthèse un calcul prenant en compte la distance interphotosite changerait beaucoup de chose à ces calculs théoriques de FTM)


Je ne pense pas que la distance inter-photosite changerait grand chose. Comme j'ai essayé de l'expliquer dans l'article il faut s'imaginer le processus de détection comme l'enchaînement de la formation d'un image analogique brouillée par le passage à travers une ouverture qui réalise la valeur moyenne des éclairements sur la surface d'entrée, suivi de la prise d'échantillons sur une grille dont le pas est, pour un capteur silicium, fixé par construction et non pas : variable indépendamment de l'ouverture du photosite comme c'est le cas dans un microdensitomètre. C'était l'un des avantages de la machine sur laquelle j'avais travaillé dans les années 1980...
À mes yeux c'est l'effet de brouillage par l'ouverture finie, plus le brouillage dû au filtre anti-moiré qui est prépondérant pour la forme de la FTM du capteur. Il faut ajouter à cela les fuites de lumière d'un pixel à l'autre, mais cela revient à avoir une ouverture un peu plus grande que l'ouverture à laquelle on s'attend.

En soi la prise d'échantillons est un autre phénomène. Si l'image avait un contenu de fréquences limité, il n'y aurait aucun brouillage dès que la grille d'échantillonnage est suffisamment fine. Autrement dit on ne peut pas parler de FTM comme on en a l'habitude pour le film ou l'optique, donnant une courbe qui tombe doucement, car pour toutes les fréquences jusqu'à la limite de Shannnon-Nyquist, c'est 100% du contraste qui est restitué sans pertes. Pour tous les objets à spectre limité, l'échantillonnage ne détruit en rien l'image après interpolation, mais s'il y a des grilles fines présentes à une fréquence supérieure à celle de Nyquist-Shannon, et sans connaissance a priori de leur existence, impossible de les extraire sans qu'elles donnent des effets de moiré. Je ne sais pas s'il y a une approche astucieuse pour réduire les effets de moiré sans filtre, mon impression est que seules les limites de l'optique permettent d'évacuer les grilles trop fines.. d'où mon rêve d'associer une optique (a priori couvrant un format dans le genre 6x9) avec un grille de pixels pour lesquel c'est la diffraction qui sert de filtre passe-bas naturel, et pas un filtre passe-bas supplémentaire « artificiel ».

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Il est difficile dans cet article déjà très (trop ?) long de ne pas pécher par des raccourcis critiquables.

Par exemple lorsque je dis que l'effet du filtre anti-moiré est un peu équivalent à un défaut de mise au point, il faut nuancer car l'effet de brouillage par défaut de mise au point est évidemment variable selon la position du point objet dans le champ et en profondeur ; alors que le filtre anti-moiré donne un effet uniforme sur toute la surface.

Cette distinction rejoint la classification classique des défauts en restauration numérique d'images, il y a le cas le plus simple du défaut invariant dans l'image (space-invariant point-spread function) et le cas d'un défaut variable dans l'image (space-variable point-spread function). Un exemple classique de défaut invariant dans l'image est le défaut de mise au point pour la photo d'un objet plan (ou à l'infini) avec une optique de course très bien corrigée, utilisée uniquement au centre du champ. Un exemple de défaut variable dans l'image est le flou de bougé pour une vue prise d'un véhicule en mouvement, l'infini se brouille nettement moins que les premiers plans...

Néanmoins il me semble que les effets de profondeur de champ inhabituels en imagerie numérique ne peuvent s'expliquer que par l'application d'un traitement destiné à compenser cet effet de brouillage par le filtre. Sans connaissance a priori du sujet, je ne vois pas comment le post-traitement serait capable de faire la distinction entre le brouillage dû au filtre et le brouillage dû à un défaut de mise au point !
Si je me réfère à une remarque faite au congrès de Fontfroide par l'un des photographes présents dans la salle, c'est à dire qu'en numérique l'image d'un objet en profondeur reste nette puis devient brusquement floue, au lieu du dégradé habituel net/flou, il me semble que seul le traitement numérique anti-moiré et renforçateur de FTM faiblarde ;-) peut expliquer ce comportement et rien d'autre. Je peux me tromper, j'aimreais être contredit sur ce point par des images, mais les tests, si j'en crois Henri Gaud, sont très difficiles à faire et souvent peu probants.

On touche d'ailleurs l'une des diffocultés d'un travail de thèse sur le sujet car bien des caractéristiques en particulier les traitements numériques (DSP), sont du domaine du secret industriel... donc à moins de refaire l'interface du capteur soi-même, il est difficile de séparer ce qui est intrinsèque au capteur de ce qui provient du post-traitement !

.... Dans le traitement informatique du signal le pixel existe sans dimension et en plus avec une forme parfaite de carré. Ceci permet de réduire et de maîtriser complètement la granulation finale de l'image (granulation ne doit pas être le terme adéquat) et donc de donner une structure moins visible que l'argentique d'où permettre des agrandissement plus important.
À cela se rajoute le problème de bruit dont vous parlez.


Oui, la question est qu'à partir du moment où les imprimantes et autres appreils de reproduction sont capable de faire une interpolation correcte, la supériorité de l'image numérique apparaît dans l'absence de granulatité dans les zônes quasi uniformes. Du moins dès que le nombre de pixels atteint un nombre minimum, je ne parle pas d'image de la classe 1Mpix.
Qaunt à la forme carrée du pixel, pour moi elle n'a que peu d'importance, cela pourrait être un carré à coins arrondis ou, mieux,
un rond, pas tout à fait clos, finissant par un trait horizontal ;-)

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une question...

La FTM donné par les fabricants d'émulsion diffère énormément de la pratique sur le terrain et que une FTM de 50cycles/mm est beaucoup plus réaliste que sur le terrain
si on refait le calcul pour un 6x6cm on arrive à un total de (100x56)² soit 31 million de pixel et on voit qu'on est en dessous d'un capteur CCD 39 millions de pixels qui de plus est plus petit presque de moitié que le 6x6 (puisque sa taille est de 36x48 mm) donc le film serait-il loin derrière même si l'on tente un raisonnement sur la base de la FTM? (ceci en comparaison avec votre calcul basé sur le 100 cycles/mm)


Je suis devenu, grâce à galerie-photo, très méfiant lorsqu'il s'agit de définir une résolution par une seul chiffre. Non pas que je conteste la pertinence des test classiques de Chris Perez, par exemple, mais il est clair que la résolution limite observée à l'oeil, ou la résolution limite utiliséepar les fabricants dans des test sur mire de contratse 1:1000 n'est pas un critère pertinent dans la comparaison avec l'image numérique. Ce constat est même devenu tellement criant que j'ai voulu regarde de plus près. C'est pour cela que j'ai voulu mettre côte à côte les courbes FTM du film et celles d'un capteur idéalisé qui, derrière son filtre anti moiré, réalise un échantillonnage deux fois plus fin que la surface de collection effective de 4 pixels. On voit que les deux courbes entre la Provia® et le capteur idéal au pas de 7 microns avec filtre anti-moiré (donc ouverture à 14 microns) sont très proches !! C'était je l'avoue un peu dur à avaler au début... On peut, si l'on veut, dire que la Provia® ne résoud que 50 cycles par millimètre, on ne dit rien de faux tant qu'on ne définit pas le critère de contraste minimum acceotable !

Mais je ne pense pas que la seule prise en considération des courbes FTM côte à côte explique tout. C'est pour cela que je veux essayer de regarder du côté du bruit. D'autre part, mais cela je n'en parlerai pas parce que je n'ai pas de matière expérimentale suffisante, je suis persuadé comme le dit B. Leblanc que la FTM d'un film ne donne pas toutes les clés pour l'évaluation de la qualité d'une eimage. En particuler le contraste visuel de bord de plage et le contraste général dans l'image a une influence très forte sur l'appréciation de la qualité.

Je me rappelle un article de E. Land dans pour la Science à propos de sa théorie dite "RETINEX" de la vision des coulerus. E. Land suggère, expériences à l'appui, que l'oeil est en permanence en train de comparer les couleurs et les contratses de plages adjacentes. Cette théorie explique la persistance des couleurs vues à l'oeil lorsque de larges variations de température de couleur à l'éclairage. Mais s'il y a balayage des zônes frontières entre plages, ne serait-ce qu'à cause des saccades de l'oeil, on sent bien que la « vigueur » des transitions à grand contraste, ou l'effet d'acutance pour le film, joue un rôle important qui n'est pas a priori contenu dans le modèle liénaire des faibles modulations FTM. D'où la « tricherie » (enrte autres astuces) de l'image numérique qui est capable de réaliser un traitement qui n'est pas forcément linéaire pour renforcer les contrastes de bords, la fameuse accentuation...




 
 Re: article Emmanuel Bigler film capteur résolution
Auteur: romain 
Date:   05-03-2007 20:03

Merci pour cette réponse

"La façon de tourner cette phrase montre que vous connaissez déjà la réponse ;-)"
oui je connais la réponse grossièrement mais j'attends avec impatience de découvrir les valeurs d'écart pour un sujet donné lors d'un test.

Pour le financement c'est le CNES. ici
http://www.cnes.fr/web/177-sujets-bourses-cnes-2007.php?view=item&item=1879

"on ne dit rien de faux tant qu'on ne définit pas le critère de contraste minimum acceotable !"
oui cela voudrait-il bien dire que l'évaluation de la qualité d'une image à un moment donné doit passer par l'observation subjective (un nombre statistique d'observateur)! un peu comme l'évaluation de la granulation.?

pour le reste de vos réponses j'y reviendrai plus tard.

bonne fin de journée

romain


 
 Re: article Emmanuel Bigler film capteur résolution
Auteur: Emmanuel Bigler 
Date:   06-03-2007 13:38

Suite à la fermeture de l'ancienne rollei-gallery j'ai replacé sur flickr ces images du Mont Whitney (Californie, 4418m, mais en baskets sans glacier, le plus haut sommet des États-Unis en dehors de l'Alaska) prises avec un Rolleiflex T.

Été 1987, Agfacachrome 50s, règle-de-seize-par-soleil-brillant, 1/125 f/11 à main levée pas de trépied et (j'ose à peine l'avouer, Mgr Gaud pourrait passer par ici, je prends le risque) un filtre UV Rollei H-1 placé devant le fidèle tessar 3,5 de 75.

Un bon test de définition, à mon avis !

Whitney plein cadre, imagette pour voir le sujet.
http://farm1.static.flickr.com/170/412499927_033dedaf17_o.jpg
Scan d'origine Imacon® (merci à Henri Peyre) à 2500 pixels par pouce soit 10 microns par pixels ; l'image originale fait donc 5600x5600 pixels.

Détail 1 de 560x560 pixels sans accentuation
http://farm1.static.flickr.com/164/412499930_851a5cad69_o.jpg
Certes, cela pourrait être plus net (j'ai eu, en son temps, droit à une remarque directe et franche de Mgr Gaud sur le sujet), mais pensez que si cette sous-image s'affiche en 15x15 cm sur votre écran, l'image totale ferait 1,5 mètre de côté. Çà relativise un peu la critique.

Idem 1 avec accentuation
http://farm1.static.flickr.com/184/412499934_0e3477d623_o.jpg

Détail 2 de 560x560 pixels sans accentuation ; ce coin de l'image est moins net que le précédent. Aucune idée de la raison !!
http://farm1.static.flickr.com/152/412499936_4a48209ca4_o.jpg

Idem 2 avec accentuation
http://farm1.static.flickr.com/154/412499937_f83ce11602_o.jpg

Remarque 1 : dans la Sierra Nevada en Californie, même en été, l'air est si sec et si transparent qu'on ne peut pas résister à faire de la photo de paysage pour tester ses optiques ;-) En hiver, c'est encore mieux !
Voir à ce sujet les remarques de Jean-Philippe A. sur la turbulence atmosphérique dans cette discussion :
n2-f1-32402.html

Remarque 2 : les films diapo couleur du XXI-ième siècle surclassent, et de loin, l'Agfachrome 50 S des années 1980.

Remarque 3 : il vaut mieux avoir un copain équipé d'un scanner de course avant de se plaindre du manque de piqué de ses scans diapos moyen format sur machine d'amateur.

Remarque 4 : l'accentuation, pas de raison de s'en priver en prise de vue sur film destiné à être scanné ! Si les appareils numériques « trichent », si le fameux traitement numérique interne (DSP) pédale à fond la caisse au risque d'échauffer dangereusement tout l'appareil avant de vous livrer le fichier de sortie, alors on a aussi le droit de tricher avec le film scanné !

Remarque 5 : l'accentuation amplifie le bruit de granularité dans le ciel et lui confère une texture peu agréable.




 
 Re: article Emmanuel Bigler film capteur résolution
Auteur: DG 
Date:   06-03-2007 16:00

une remarque, sur les faux tambour que son les imacon(s), le soft est un tricheur... pour vraiment être à 0 d'accentuation, il faut être à moins X !
je ne me souviens plus de la valeur exacte du vrai 0.


 
 Re: article Emmanuel Bigler film capteur résolution
Auteur: romain 
Date:   07-03-2007 16:11

Je reviens sur l'idée de la distance inter-photodiode qui est me semble t il une information intéressante qui peut jouer sur la FTM.
Si la distance inter photodiode est très importante pour combler cette perte de lumière et d'information on va placer des micro lentilles plus réfringente. La dégradation du rayon incident oblique tapant sur la micro lentille peut être plus importante. Voir l'information n'est pas enregistrer cas extrême des rayons du bords de l'image d'un objectif grand angle.

Deuxième conséquence plus cette distance est faible plus la surface effective qui enregistre la lumière est importante donc meilleur sensibilité du capteur, donc moins de bruit.

romain


 
 Re: article Emmanuel Bigler film capteur résolution
Auteur: DChatellard 
Date:   07-03-2007 16:44

Romain que veux-tu dire pas dégradation du rayon dans ce cas?

Le capeur CCD enregistre l'énergie déposée en un endroit par le photon par un effet photoélectrique. Sans micro lentille, le risque de diffusion des électrons générés par la ionisation secondaire du premier électron "créé" est très important (si cet effet est en bordure de pixel). On peut ainsi perdre une partie de l'énergie dans le substrat ou la récupérer dans un pixel adjacent. Pas vraiment bon dans les 2 cas.

Je ne suis pas persuadé que l'effet de la lentille sur l'énergie incidente mesurée soit plus importante.

En plus si on augmente la grandeur de la zone de déplétion (ou photosite pour faire simple), on risque de voir les puits de potentiel se recouvrir. Il y a bien un moment ou les effets quantiques vont de toute façon poser problème. Je dirai un petit effet tunnel, d'où un pixel qui prend l'eau sur les bords.

Mais bon, mes souvenirs sur les prinicpes de base d'un CCD ne sont peut-être plus d'actualité car ils datent de 10ans :-)

J'attends le verdict des spécialistes :-)

Didier


 
 Re: article Emmanuel Bigler film capteur résolution
Auteur: romain 
Date:   07-03-2007 17:07

vos images sont très intéressantes et on voit que le logiciel d'accentuation de l'Imacon est très mal conçu.
En effet l'accentuation est faite de la même manière sur la totalité de l'image. Or si cela apporte un effet positif de l'amélioration du rendu comme un gain de netteté, cette transformation est désastreuse dans le ciel et dans le nuage où le simple résultat est de fournir un bruit!

cet exemple est trés intéressant et montre comme un scanner à priori de bonne qualité peut être desservi par un soft qui n'est pas à la hauteur.

romain


 
 Re: article Emmanuel Bigler film capteur résolution
Auteur: romain 
Date:   07-03-2007 17:17

"Romain que veux-tu dire pas dégradation du rayon dans ce cas?"

a cause du rayon de courbure de la lentille plus important pour récupérer la perte de lumière due à une distance interphotodiode important.

"Je ne suis pas persuadé que l'effet de la lentille sur l'énergie incidente mesurée soit plus importante."
c'est un raisonnement que je pose mais je n'ai pas la réponse.

romain


 
 Re: article Emmanuel Bigler film capteur résolution
Auteur: PascalM 
Date:   07-03-2007 19:30

"Remarque 4 : l'accentuation, pas de raison de s'en priver en prise de vue sur film destiné à être scanné ! Si les appareils numériques « trichent », si le fameux traitement numérique interne (DSP) pédale à fond la caisse au risque d'échauffer dangereusement tout l'appareil avant de vous livrer le fichier de sortie, alors on a aussi le droit de tricher avec le film scanné !"

petite remarque sur la remarque: l'accentuation n'a pas attendue l'arrivée du numérique pour intervenir en photo, l'effet de bord existe aussi (et est parfaitement bien exploité sur certains films) en argentique !

====
"Si la distance inter photodiode est très importante pour combler cette perte de lumière et d'information on va placer des micro lentilles plus réfringente. La dégradation du rayon incident oblique tapant sur la micro lentille peut être plus importante. Voir l'information n'est pas enregistrer cas extrême des rayons du bords de l'image d'un objectif grand angle."

La distance inter photodiode n'est jamais très importante (et ça n'a pas tendance à augmenter !), le cas que tu poses me semble purement théorique.
Je n'ai encore jamais vu de grand angle qui pose le problème que tu signales, dans le pire des cas on a un vignetage un peu plus fort qu'en argentique et un piqué qui faiblit, deux tendances qui disparaissent
Plusieurs raisons:
- les microlentilles semblent ne pas etre identiques entre centre et bords du capteur afin de prendre en compte de manière "moyenne" l'angle d'inclinaison (les fabricants sont discret sur le sujet, mais en privé certains le reconnaissent)
- les optiques les plus récentes (destinées au numérique) sont de plus en plus télécentrique (ou plus exactement tendent à s'approcher d'un système télécentrique) voir à ce sujet la qualité procurée par les objectifs Olympus E (qui est reparti de zéro) face aux équivalents 24x36
- le post traitement sait éliminer le vignetage de manière logicielle (c'est le cas du Leica M8)... lire les tests des revues amateur permet de découvrir ce type d'information ;-)

Pascal

Pascal
mielep-aux bons soins de-wanadoo.fr


 
 Re: article Emmanuel Bigler film capteur résolution
Auteur: DG 
Date:   07-03-2007 22:45

- les microlentilles semblent ne pas etre identiques entre centre et bords du capteur afin de prendre en compte de manière "moyenne" l'angle d'inclinaison (les fabricants sont discret sur le sujet, mais en privé certains le reconnaissent)

super quant on décentre !;-(

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