Capteur et pixels : cours de Seconde (SNT)

Quand tu prends une photo avec ton téléphone, tu appuies sur un bouton et une image apparaît à l'écran. Entre les deux, il se passe une chaîne de transformations : de la lumière, on passe à un signal électrique, puis à des nombres, puis à un fichier que ton téléphone sait afficher. Ce cours suit cette chaîne pas à pas.

La plupart des téléphones portables contiennent un appareil photographique numérique doté d'un capteur de lumière, présenté comme un quadrillage de cellules ². C'est ce quadrillage qui fait le lien entre le monde réel et le monde numérique. Pour bien le comprendre, il faut maîtriser quelques mots que l'on confond souvent : photosite, pixel, résolution, profondeur de couleur ².

À la fin du chapitre, tu sauras :

• expliquer ce que fait un capteur et distinguer les deux grandes technologies ;
• différencier un photosite d'un pixel ;
• expliquer comment une image en couleurs est obtenue avec un capteur qui ne distingue pas les couleurs ;
• calculer un nombre de pixels, un nombre de valeurs et la taille d'un fichier image ;
• discuter la phrase « plus il y a de mégapixels, meilleure est la photo ».

Imagine un damier dont chaque case serait un minuscule seau à lumière. Plus une case reçoit de lumière, plus le signal électrique qu'elle fournit est fort. Une case située dans une zone très éclairée de la scène donnera un signal élevé, une case située dans l'ombre un signal faible. L'ensemble des signaux de toutes les cases décrit l'image formée par l'objectif.

Ce signal est d'abord analogique : il peut prendre n'importe quelle valeur dans un intervalle, comme la hauteur d'eau dans un seau. Pour être mémorisé dans un fichier, il doit ensuite être transformé en nombres : c'est la numérisation. Un ordinateur ne stocke que des valeurs numériques, jamais une grandeur continue.

Le CMOS a gagné du terrain : son emploi dans le matériel photographique augmente régulièrement depuis l'arrivée du Canon EOS D30, en 2000 ³. On le trouve dans les smartphones, les webcams et les compacts numériques ⁴. Les parts de marché le montrent bien : 54 % des capteurs d'image vendus dans le monde en 2007, 74 % en 2012, puis 89 % en 2017 ⁴.

Pourquoi séparer ces deux notions ? Parce que leur nombre n'est pas toujours identique. Un téléphone peut enregistrer une image dont la résolution diffère de celle de son capteur, par exemple en la réduisant pour gagner de la place. Le nombre de pixels de l'image est alors choisi par le logiciel, alors que le nombre de photosites est fixé par la fabrication du capteur. C'est pour cela que le programme demande de comparer les deux résolutions ².

Le pixel de l'écran est encore une autre chose : sur un smartphone, chaque pixel de l'écran est composé de trois sous-pixels, dont l'agencement et la forme varient selon le modèle ². Un pixel d'écran affiche, un pixel d'image mémorise, un photosite mesure.

Voici un point qui surprend : un capteur ne distingue pas les couleurs. Un photosite mesure une quantité de lumière, rien de plus, et un capteur est par nature monochrome ³. Comment, alors, obtenir une photo en couleurs ?

Une fois la couleur reconstituée, il faut la coder avec des nombres. En programmation, on traite une image en agissant sur les trois composantes de ses pixels ¹. Combien de valeurs faut-il donc pour coder la couleur d'un seul pixel ? Trois : une pour le rouge, une pour le vert, une pour le bleu ¹.

Dans les activités de programmation du chapitre, on construit ainsi une image de 800 par 800 pixels toute jaune, puis on change la couleur de certains pixels (un noir, un bleu, un rouge, un vert, voire un pixel de couleur « skyblue ») ¹. Pour chaque pixel modifié, on fournit à l'ordinateur ses trois valeurs.

Le poids d'un fichier image dépend de la taille et de la résolution du capteur ³. Cela se calcule, à condition de connaître trois informations : le nombre de pixels, le nombre de valeurs par pixel (trois en couleurs) et la place occupée par une valeur.

On lit souvent dans les publicités : « 50 mégapixels, la meilleure photo ». Cette idée est trop simple. Certes, avec plus de pixels, la définition progresse, ce qui aide surtout quand on agrandit l'image ⁵. Mais le nombre de pixels n'est pas le seul critère.

Autrement dit, une grande cellule capte plus de lumière qu'une petite. Dans une pièce peu éclairée, cela fait une vraie différence. À l'inverse, un petit capteur très dense peut intéresser la production en grande série et faire baisser le prix, sans forcément dégrader la photo ⁵. Le bon choix dépend donc de l'usage : photo de vacances, agrandissement, faible lumière.

Cette méthode évite l'essentiel des erreurs. En SNT, on te demande rarement une formule apprise par cœur ; on attend surtout que tu nommes correctement les objets, que tu justifies un calcul simple et que tu discutes une affirmation, par exemple celle des mégapixels.