Comment se forme une image numérique ?

La base de la formation d’une image numérique est le capteur. Mais pour cela, il existe plusieurs technologies. En prenant l’exemple du capteur CCD, nous allons vous expliquer comment une image se forme dans une caméra numérique.

Des rayons de lumière à l’image

Comme point de départ, nous avons les rayons de lumière qui partent de l’objet de notre image (paysage, fleurs, personnes).  Puis nous avons comme résultat une série de chiffres qui décrivent les couleurs de chaque point. L’image est alors quadrillée en de petites cellules appelées pixels. En fonction de l’éclairage, chaque pixel a une valeur chromatique et de luminance. Ensemble, ces pixels forment une image.

Le capteur CCD (Interline)

De nos jours, le capteur CCD (CCD : charge-coupled device; dispositif à transfert de charge) est le capteur le plus souvent utilisé dans les caméras numériques.

Le capteur CCD est composé de millions de composants photo-électriques qui transforment en charges la lumière captée. Les CCD transportent ces charges des composants photo-électriques au convertisseur analogique-numérique (convertisseur AD). Celui-ci mesure la charge et la calcule en une valeur numérique.

À titre d’exemple, nous allons prendre le CCD Interline, qui présente la structure suivante:

  • Les carrés colorés lumineux sont les composants photo-électriques avec les filtres correspondants. Un capteur peut en contenir plusieurs millions.
  • En bas à gauche, nous avons le convertisseur AD vers lequel toutes les charges doivent être transportées en vue de leur mesure.
  • Les registres gris horizontaux et verticaux représentent les CCD. On les appellera ici « registres ».

De tous les composants, seuls les composants photo-électriques sont accessibles à la lumière. Tous les autres composants sont protégés de la lumière dans le capteur.

Le composant photo-électrique

Un composant photo-électrique est un composant électronique capable de mesurer la quantité de lumière captée. Cet effet photo-électrique décrit comment, à travers l’exposition à la lumière, des électrons sont dégagés et mis à disposition pour le transport de charge.

Le faisceau lumineux capté par le capteur contient toujours des rayons de lumière avec diverses longueurs d’onde. En fonction de sa couleur, chaque rayon de lumière dégage un nombre d’électrons différents à partir du cristal de silicium.

Cependant, la sensibilité du cristal de silicium ne correspond pas à la sensibilité chromatique de l’œil humain. Une image qui crée ces composants photo-électriques varie fortement de notre vue. Il est alors nécessaire d’ajuster la sensibilité chromatique du composant photo-électrique à celle de l’œil. Ces deux problèmes sont résolus en recouvrant la surface photosensible du composant photo-électrique d’un filtre chromatique monochrome. Concrètement, des filtres de couleur rouge, bleu et vert sont utilisés.

Il est connu que le rouge, le vert et le bleu permettent de reconstituer toutes les couleurs du spectre visible à l’œil humain.

Les désignations rouge, vert et bleu ne se réfèrent pas à des couleurs, mais des plages de sensibilité spécifiques de l’œil humain.

Le convertisseur analogique-digital

Par convertisseur AD, on fait référence à un composant électronique qui transforme une taille analogique telle que la charge en un chiffre numérique comme la valeur RVB d’une couleur. La taille du convertisseur AD détermine le nombre de nuances de couleur (256, 1024, 4096 et 65536) fournies par le composant.

Le dispositif à transfert de charge

Par CCD, on entend un composant capable de transporter des paquets de charge dans l’espace sans modifier les charges en question.
La base est une structure commandable de puits de charge et de barrières de charge équipée d’un cristal de silicium.  Les charges tombent dans le puits de charge tandis que la barrière les retient. La pose de tensions positives ou négatives permet de construire ou de démanteler ces puits et barrières de façon ciblée. Chaque charge est déplacée dans la cellule suivante par un rythmeur.

L’éclairage d’une image

Quand on actionne le déclencheur de la caméra pour prendre une photo, les actions suivantes se déroulent dans le capteur CCD :

Éclairage
  1. Tous les composants photo-électriques sont vidés.
  2. Dès que la quantité de charges dans les cellules photo est nulle, la durée d’éclairage commence.
  3. Pendant l’éclairage, les composants photo-électriques se remplissent selon la lumière qui se dépose sur eux.
  4. Une fois la durée d’éclairage expirée, la porte s’ouvre et la charge accumulée de chaque composant photo-électrique passe entièrement dans la cellule adjointe du registre vertical.
  5. La porte est à nouveau fermée et les charges sont captées dans les registres verticaux.
Transport et mesure
  1. Commandé par un rythmeur central, le transport des charges vers le convertisseur AD commence. En une seule étape, toutes les charges des registres verticaux sont déplacées une cellule vers le bas.
  2. Les charges des cellules situées le plus en bas sont déplacées dans le registre horizontal. Celui-ci contient une cellule pour chaque registre vertical.
  3. Puis les charges qui se trouvent dans le registre horizontal sont déplacées d’une cellule vers la gauche.
  4. La charge de la cellule à gauche vers l’extérieur est alors sortie du registre horizontal et transportée vers le convertisseur AD.
  5. La charge est mesurée dans le convertisseur AD et consignée sous la forme d’un chiffre dans la cellule de stockage d’une mémoire semiconductrice qui correspond à la position du composant photo-électrique de départ.
  6. À chaque cycle, une autre charge est acheminée du registre horizontal vers le convertisseur AD, mesurée puis déposée jusqu’à ce que le registre soit vide.
  7. Puis les charges des registres verticaux sont à nouveau déplacées d’une cellule vers le bas. Les charges parviennent à nouveau dans le registre horizontal. Celles-ci sont alors acheminées l’une après l’autre vers le convertisseur AD.
  8. Et ainsi de suite.

À la fin, toutes les charges ont été mesurées et déposées.

Une première image se trouve dans la mémoire.

Exemple

À titre d’exemple, nous avons utilisé l’image avec les champignons. Nous en avons diminué la taille fortement (à gauche) et retravaillée.  La photo de départ a une taille de 2376×1728 pixels. L’image RAW (à droite) ne contient pour chaque pixel qu’une seule valeur de luminance mesurée. C’est pourquoi nous avons obtenu une image avec des nuances de gris.

Chaque cellule photographique du capteur est recouverte par des filtres chromatiques. Des valeurs d’intensité ont également été mesurées pour le rouge, le vert et le bleu. Cependant, pour chacun des éléments, donc pour chaque point d’image, seulement une de ces couleurs primaires a été mesurée. Ici, quatre cellules formant un carré représentent une unité. Les cellules en haut à gauche et en bas à droite sont pourvues d’un filtre vert et les deux autres avec un filtre rouge et bleu. Cette disposition est désignée sous le nom de modèle Bayer (à gauche).Si chaque point d’image est interprété comme étant coloré conformément à son filtre et si les points de l’image sont colorés en fonction, nous avons alors une image comme celle représentée en-dessous au milieu.

Un agrandissement x10 de cette image du bord du champignon fait ressortir le modèle Bayer (à droite).

Pour accumuler des valeurs de luminance, une accumulation d’informations pour la création d’une image ne suffit pas. Une photo ne prend forme qu’avec l’application complexe de divers algorithmes de traitement de l’image. Quels algorithmes sont utilisés et comment ils sont paramétrés est le secret de chaque fabricant de caméra.Cependant, on peut supposer que, dans un premier temps, le principe d’interpolation est appliqué à chaque pixel pour toutes les intensités manquantes des couleurs primaires: pour un point vert, il s’agira des éléments rouges et bleus ; pour un point bleu, des éléments verts et rouges, etc. (chaque carré (rouge, bleu ou vert) représente un pixel).

L’algorithme pour ce procédé n’a pas été divulgué, mais il semble produire des images de faible qualité qui mériteraient d’être affinées.

Weitere Sensor-Typen

CMOS-Sensoren

Neben den CCD-Sensoren, finden besonders die so genannten CMOS-Sensoren Verwendung in digitalen Kameras. Bei diesen Sensoren besitzt jedes Fotoelement einen eigenen AD-Wandler. Die CMOS-Technik macht eine solche dichte Integration von Bauelementen möglich.

Vorteile: Jedes Element kann direkt ausgelesen werden, der aufwendige Ladungstransport entfällt. Ausserdem ist die Herstellung dieser Sensoren mit geringeren Kosten verbunden.

Nachteile: Diese ergeben sich aus den Fertigungstoleranzen der vielen integrierten AD-Wandler. Dadurch werden für gleiche Ladungen in unterschiedlichen Zellen unterschiedliche Werte geliefert. Das Ergebnis waren zu Beginn ungleichmässige Bilder. Später wurden die Messdifferenzen der verschiedenen AD-Wandler bei der Auswertung der Ladungen berücksichtigt.

Der Foveon-Chip

Eine höchst interessante Entwicklung hat im Jahr 2002 den Markt erreicht – der X3-Chip der Firma Foveon. Er enthält Bauelemente, die wie ein Film in mehreren sich überlagernden Schichten an jeder Stelle alle 3 Grundfarben misst.

Vorteile: Für eine Anordnung gemäss dem Bayer-Muster besteht hier also keine Notwendigkeit mehr. Auch eine Interpolation von Farbwerten mit Hilfe der Nachbarpunkte entfällt.

Weitere Bauformen von CCD-Sensoren

Neben dem Interline-CCD-Sensor gibt es noch zwei weitere Bauprinzipien von Bedeutung:

Full-Frame-CCD-Sensor

Beim Full-Frame-Sensor dient die Matrix der Fotoelemente selbst als CCD, also zum Ladungstransport. Eine zusätzliche CCD-Zelle neben jedem Fotoelement entfällt somit.

Vorteile: Der Vorteil liegt darin, dass man die gesamte Fläche des Chips als Lichtempfänger verwenden kann, da der abgedeckte Teil für das Nachbar-CCD entfällt.

Nachteile: Der Nachteil ist, dass man bei dieser Bauform einen externen mechanischen Verschluss vorsehen muss, da sonst der Lichteinfall während des Ladungstransports das Messergebnis verfälschen würde.

Frame-CCD-Sensor

Der Frame-CCD-Sensor ist in zwei zusammenhängende Blöcke eingeteilt. Im Fotoelementeblock reihen sich die Fotoelemente ohne dazwischen liegende CCD-Register direkt aneinander. Im danebenliegenden CCD-Block gibt es für jedes Fotoelement eine CCD-Zelle an entsprechender Position. Der Fotoblock ist für das Licht frei zugänglich, der CCD-Block ist abgedeckt. Am Ende der Belichtung werden die Ladungen in einem Taktschritt in den CCD-Block befördert. Der Rest läuft so ab, wie für den Interline-Sensor beschrieben.

Vorteile: Auch hier ist der Vorteil darin zu sehen, dass jedes Fotoelement die gesamte Fläche bis zu seinen Nachbarn nutzen kann.

Nachteile: Der Nachteil ergibt sich aus der vergrösserten Bauelementefläche des Sensors. Der CCD-Block benötigt auch seinen Platz. Das Bauelement wird dadurch teurer.

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12.07.2016