Sur la profondeur de champs et son calcul...

La profondeur de champs et les calculateurs...

Depuis les débuts de la pratique photographique, c'est un point fondamental qui active autant les photographes que les fabricants d'objectifs.
Les uns pour les rendus de netteté dans l’image, les autres pour fournir des arguments techniques fiables concernant la commercialisation de leur production.
Comment ça marche ?
La profondeur de champ correspond à la zone de l'espace dans laquelle doit se trouver le sujet à photographier pour que l'on puisse en obtenir une image que l’œil considérera comme nette.
En pratique, on détermine ce que l’on appelle l’Hyperfocale, qui est la distance où l’image est encore nette lorsque l’objectif est réglé sur l’infini. Elle dépend de plusieurs facteurs qui ont été définis en photographie argentique et que l’on applique « à tort » à la photographie numérique.

Les facteurs : L’hyperfocale dépend de la focale de l’objectif, l’ouverture du diaph, et du cercle de confusion (qui dépend de la taille du format du film) .
C’est sur ce dernier point, le cercle de confusion, que l’application au numérique est fausse. Alors pour l’explication, nous allons parler d’abord de l’argentique.
La focale de l’objectif, et l’ouverture du diaph, on connait. Le cercle de confusion est une notion floue, c’est le cas de le dire, subjective, que les constructeurs ont essayé de standardiser.
La définition :

Le cercle de confusion (CdC) est égal au diamètre des points correspondant à la taille des détails les plus fins discernable par l’observateur sur une image.

Pour comprendre de quoi dépend cette notion de discernement de l’image, il faut s’attarder un instant sur la notion de netteté.

Deux étapes : La première étape concerne l’objectif : sa focale et son pouvoir séparateur

Un objectif (ex F1.8 50mm) produit une image sur un plan film. On détermine son pouvoir de netteté, sa définition, par sa qualité à dissocier des traits verticaux et horizontaux. C’est un pouvoir séparateur. Plus on voit de traits au millimètre, meilleure est la définition de l’objectif, plus grande est la netteté de l’image produite. Jusque là tout va bien. On imagine bien maintenant que si l’on fixe le réglage de mise au point de l’objectif et que l’on déplace en avant ou en arrière l’objet que l’on vise, l’image produite va devenir de plus en plus floue avec l’augmentation du déplacement.
La première notion de la profondeur de champ, et donc de cercle de confusion, est là. Pour le moment je n’ai pas parlé de la surface de l’image fixé sur la pellicule.

Le cercle de confusion (CdC) est égal au diamètre des points correspondant à la taille des détails les plus fins discernable par l’observateur sur une image. Evidemment pour faire une observation de netteté ou de flou, il faut regarder une image. On se fixe par exemple un tirage au format 40x60 cm, et on regarde… Ce que l’on regarde c’est une image partant d’un négatif et qui a été agrandie. La première observation, c’est que plus l’objectif est de qualité, plus grande est l’impression de netteté. Cette qualité de définition influence peu – au sens où elle pourrait l’amoindrir - l’augmentation du flou au fur et à mesure que l’on déplace l’objet. En fait, un objectif de définition moyenne adoucit une image dans son aspect général alors qu’un objectif de haute définition « pique » l’image par la qualité saisissante de la zone de netteté.

Mais il y a un autre facteur qui intervient sur ce « floutage » observé, et c’est là la deuxième étape.

Quand on parle qualité photo, on regarde une image.
L’image vient du négatif que l’on agrandit pour en faire un tirage. Si l’on part d’un négatif film au format 6x9cm le rapport d’agrandissement pour une image 40x60cm n’est évidemment pas le même que si l’on part d’un négatif au format 24x36mm.
Et là, dans le fait du facteur d’agrandissement, se joue une autre notion de flou « observé ».
Tout simplement parce qu’en agrandissant, c’est bien connu, on agrandit aussi les défauts, dont le défaut de netteté. C’est la raison pour laquelle on dit que le cercle de confusion dépend du format de captation de l’image. Parce que le rapport d’agrandissement pour une même taille d’image observée diminue lorsque la surface du film augmente.
En cinéma argentique c’est pareil. Si l’on projette sur 10m de base un film 16mm, ça ne donne pas la même chose qu’avec un film 35mm. Et d’où ça vient ? Simplement du rapport d’agrandissement, la pellicule étant la même, sa densité de granulation identique, plus on agrandit, pour un même format de projection, plus la netteté de l’image se dégrade.

Ce phénomène n’est pas le même en numérique. Pourquoi ?

C’est très simple en fait.
En numérique, ce que l’on obtient à la prise de vue, c’est un fichier qui contient des pixels. S’il y avait un rapport linéaire entre la taille du capteur et le nombre de pixels de l’image captée ( donc la grosseur des pixels), ce qui est écrit pour l’argentique serait vrai. Mais ce n’est pas le cas.
Les Nikon D300 et D700 donnent le même fichier de 12 Mp avec respectivement, des capteurs DX et FX. Faire un tirage de n’importe quelle taille à partir de ces fichiers, résulte du même facteur « d’agrandissement ».
Ça ne veut pas dire qu’il n’y a pas de cercle de confusion dû à l’opération, ça veut dire que l’influence de l’opération de tirage sur la valeur du cercle de confusion est la même car nous avons au départ le même nombre de pixels. Cela veut dire aussi que pour avoir la même netteté d’image finale, et pour le même format de tirage, il faudra des objectifs de meilleure qualité pour une taille de capteur plus petite, à nombre de pixels constant. C’est évident. Imprimer 1000 lignes sur un capteur de 1/3 de pouce n’est pas la même gageure optique que d’imprimer ces mêmes 1000 lignes sur un capteur full frame.
Pour revenir au facteur d’agrandissement, ce n’est donc pas la taille du capteur (ou du format image du « plan film numérique ») qui fait varier le cercle de confusion en numérique - et donc la profondeur de champs - mais uniquement le nombre de pixels du fichier de l’image produite.

Nous en arrivons au cinéma numérique 2k ou vidéo HD.

La taille des images du film numérique, c’est 2Mp. Quelle que soit la caméra qui a pris les images. Qu’il s’agisse d’une petite Canon HF S10, d’une Sony EX1, d’une Panasonic AF 101, ou d’une RED one : le fichier vidéo du DCP que l’on projette dans la salle sur 10m de base, donne le même rapport d’agrandissement, donc joue sur la valeur du cercle de confusion dans les mêmes proportions qu’il s’agisse d’un capteur 1/3, ½ , 4/3 ou S35. On n’a que 2k dans tous les cas, et on fait avec. En cinéma numérique 2k, ou video HD, le cercle de confusion ne dépend donc pas de la taille du capteur, mais des seuls 2 MP de l’image projetée, et de l’objectif de prise de vue. En 4k ce sera différent, bien sûr.

De ce fait, la profondeur de champs de l’image en cinéma numérique 2k ou video HD ne dépend que de la focale de l’objectif et de l’ouverture du diaph.

Alors que faire ? Quelle valeur faut-il prendre dans la formule de calcul de la profondeur de champs (ou de l’hyperfocale) pour être dans les clous, selon qu’on tourne avec une Canon HFS10, une Sony Z7, une EX1, une Pansonic AF101 ou une RED one etc…
Si l’on considère que le cinéma numérique actuel 2k rivalise en projection avec le cinéma argentique, mais en mieux, je rappelle qu’une copie commerciale argentique définit au plus 800 lignes alors qu’un DCP fournit, selon la caméra originale, entre 700 et 1000 lignes, la bonne moyenne serait de prendre la valeur du cercle de confusion appliqué du cinéma 35, c'est-à-dire C=0,025 mm

Et la formule de calcul de l’hyperfocale, pour toutes les tailles de capteurs est :

H = FxF / 1000xNx0,025
H est l’hyperfocale en mètres
F est la focale en mm
N l’ouverture du diaph

Exemple : Vous réglez la focale de votre zoom sur 25mm ouvert à F 4
L’hyperfocale est alors : (25x25)/1000x4x0.025 soit H= 6,25 m
Cela veut dire qu’en réglant la distance sur l’infini, la zone de netteté commence à 6,25 m, pour un 25 mm ouvert à 4.

La formule de la profondeur de champs, en photo normale (pas en macro photo)

Pdc (en mm) = 0.05xNxDxD/FxF
D distance de mise au point en mm

Pour un objet situé à 2 m et une ouverture de 4 sur mon 25mm la profondeur de champs est :
Pdc = 0.05x4x2000x2000/25x25 soit Pdc = 1280 mm soit Pdc = 64cm de part et d’autre de la distance de mise au point.

En pratique, dans le cinéma, on entend toujours parler les directeurs de la photo faire des essais caméra avant les tournages. Ce n’est pas pour vérifier que la caméra fonctionne, le loueur de matériels est là pour cela. C’est pour très soigneusement déterminer les points clés de la qualité de l’image : l’exposition et la profondeur de champs avec les objectifs choisis. Car ils savent bien, sur ce dernier point, les notions de netteté et de cercle de confusion étant subjectives et dépendantes étroitement des matériels et de l’acuité visuelle des observateurs, que seuls des tests avec projection à l’appui, s’imposent lorsque la rigueur est de mise…

 

Non, mais hier Antonin m'a montré une petite application Kodak, géniale, sur son ipod, qui permet de calculer la profondeur de champ en fonction de la focale, du diaph et... du format du capteur. Alors je lui ai soutenu que ça ne dépendait pas du format de capteur... et ce matin je me suis repenché sur des vieux cours d'optique (30 ans) et ... j'ai un peu dépoussiéré les formules et médité sur la question. Si ça peut servir... on apprend toujours quelque chose. Cela dit quand je monte un objectif sur ma Pana AF101, je regarde les graduations de profondeur de champs inscrites, et ça roule...

Pour les rushs, ça me fait plaisir ! Merci Jean Luc !

 

Jean Luc... La taille de l'objet sur le plan focal ne dépend que de la distance focale.
Un 50 mm utilisé sur un petit capteur donnera la même taille d'image que sur un immense capteur. C'est la taille relative de l'objet par rapport au format de l'image qui change évidemment. Le petit format n'enregistre qu'une petite partie. Mais la profondeur de champs, elle, que tu ne considères qu'une partie ou l'ensemble du plan focal, ça ne change rien au fait en question. La zone de netteté faite avec un 80 mm sur un 6x9, c'est la même que sur un 24x36. sur le 24x36 tu ne verra que le visage, alors que sur le 6x9 tu verras un plan moyen.
Pour avoir un plan moyen sur le 24x36 il te faudra utiliser une focale plus courte, un 50 mm . Et oui, la profondeur de champ d'un 50 mm n'est pas la même que celle d'un 80 mm donc ça change.
On parle de la même chose. Je ne prends pas du tout le problème comme tu le présentes.
En photo, si je n'ai qu'une focale pour mon appreil, oui je me déplace pour faire le cadre. Je choisi ensuite une ouverture pour la profondeur de champs.
Mais dire que c'est le format du négatif qui détermine cette valeur est faux. c'est juste la distance focale de l'objectif.
Sur une chambre 4x5, je mets un 90 mm. Si je charge un plan film 4x5, j'ai une image grand angle. Si je charge un plan film 6x9, j'ai une image standard. Je déclenche. Dans les deux cas, la profondeur de champs dans l'image est strictement identique. C'est juste le rapport au cadre qui change. Dans un cas j'ai un gros plan, dans l'autre un plan large. C'est tout...

Avec ma Z7, je fais un plan large. Je fais le même plan large avec ma Panasonic.
Les deux camera au même endroit. En utilisant la même ouverture de diaph, j'observe que la profondeur de champs dans l'image de la pana est plus courte que dans l'image de la Z7. Et pour cause : pour le même cadrage, la focale de la Z7 est de 8 mm tandis que celui de la pana est de 25 mm. ça n'a rien à voir avec la taille du capteur. Si sur la Pana je mets un 8 mm, je vais cadrer une image bien plus large bien sur, mais la caractéristique de netteté de cette image dans ce cas sera exactement celui observé avec la Z7 et sa foclae sur 8 mm...

 

oui mais Jean Luc, bien sûr... la profondeur de champs est proportionnelle au carré de la distance, j'ai indiqué la formule plus haut... donc si tu recules, pour avoir un même cadrage, tu augmentes la profondeur de champs. Mais ce calcul ne dépend pas du cadre, il ne dépend que de la distance de la mise au point et est intrinsèque à la focale. C'est en faisant le rapport de grossissement dans le cadre image que tu introduis la notion de taille du capteur, évidemment c'est logique, mais je pense que cette idée pollue la compréhension du phénomène en question, c'est une relation indirecte, conséquente. Elle peut se faire de soi. Elle est aussi le sujet d'abaques pratiques, mais en aucun cas elle n'est principielle.

Mais je connais depuis longtemps les formules qui évacuent le paramètre "distance focale" pour le remplacer par "grossissement", et cette idée que en pratique, la Pdc ne dépend pas de focale, mais de la surface, si l'on garde la proportion. En réalité garder la proportion en changeant de surface image consiste soit à changer de distance (c'est pas la même photo car la perspective change), soit à changer la focale. Dans tous les cas le rapport de proportion dans la surface image passe par une équation avec la focale et la distance de mise au point, on ne peut y échapper... donc c'est tourner autour du pot.
Remarque : en pratique, on change d'objectif, on se déplace, mais on ne change pas de surface image ! Quand je tourne un film, je ne change pas la taille du capteur en fonction du plan que je veux tourner, je change de focale ou je change point de vue.
Et enfin, quand même... si la profondeur de champs ne dépendait pas de la focale, les indicateurs de profondeur de champs seraient directement gravés sur les boitiers et non sur les objectifs, hé !

Sur le kit 35... c'est une excellente remarque !! le capteur de la caméra ne change pas, on est d'accord !
Sans mettre le kit, on est sur la Z7 1/3 pouce. Je suis dans la pièce, et je cadre normalement, un objet. Le rapport de grossissement est donné, disons avec la focale standard. le diaph est fermé à 5.6 et j'ai une profondeur de champ qui va de 1.5m à l'infini. Je vise un objet situé à 3 m.
Je mets le kit35 (que je considère comme un système optique particulier faisant partie intégrante de ma caméra) et je lui colle un zoom, pour que de la même place j'ai le même cadrage. Mon diaph est à 5.6 aussi. Et là : j'observe que la profondeur de champs est très limitée (1 m de part et d'autre de l'objet ) et que je dois bien faire la mise au point....
Je n'ai pas changé la taille du capteur de la Z7 ... j'ai gardé la même proportion d'image, je suis resté au même endroit, la perspective de l'image n'a pas changé et pourtant... la profondeur de champs n'est pas la même...
Je refais la même expérience, mais cette fois je change de capteur, je prends la EX1, capteur 1/2 pouce.
Il se passe très exactement le même phénomène !!
Et l'image obtenue dans les deux expériences avec le kit35, donc en changeant de capteur, est strictement identique.
Et puis, enfin, je decide de mettre mon zoom directement sur la Panasonic AF101, capteur 35, et là... (après deux mois de réglage pour obtenir une image propre ) je découvre que j'ai la même image que les deux autres avec le kit.

Explications ??
Je te donne une piste :
- Dans les deux premiers cas de l'expérience, le cercle de confusion a légèrement augmenté lors de l'utilisation du kit35
- Les gravures de profondeur de champs sur le zoom (c'est un ancien et magnifique nikon 35-200 AIS à pompe) me donnent une indication parfaitement juste....

 

Gigidu13 c'est chouette d'être beau et jeune ..mes "poly" d'optique datent d'il y a ...45 ans
Constat empirique ..quand je me recule la PdC diminue, pour un même cadrage avec un capteur plus petit ..la PdC s'envole ...
Bertrand

 

Beau... jn'sais pas... mais jeune c'est sûr !
ha la la...

 

non mais ça roule...