Pourquoi et comment des «pixels plus gros» améliorent-ils l'image?

Cela sort de l'annonce de l'iPhone 5S d'aujourd'hui, lorsque Phil Schiller a déclaré que des "pixels plus grands" étaient la clé d'une meilleure image.

1. Qu'est-ce que ça veut dire?
2. Est-ce vrai ou simplement un stratagème de marketing?

Résumé rapide

Oui, des pixels plus gros améliorent les performances toutes choses égales par ailleurs, et Apple fait une bonne chose en se concentrant sur la taille du capteur. Cependant, dans ce cas, l'augmentation de la taille est si faible que la différence sera négligeable, probablement pas à la hauteur du niveau d'amélioration que vous pouvez attendre de leur commercialisation.

Que signifie des pixels plus gros?

Cela fait référence à la taille des photodétecteurs, qui représentent les pixels, sur le capteur de l'appareil photo.

En bref, plus la lumière atteint ces photodétecteurs, plus ils peuvent mesurer avec précision les niveaux de lumière, réduisant ainsi le bruit. Pour simplifier les choses, le bruit est généralement un facteur dans la photographie en basse lumière ou en intérieur.

Il existe deux façons d'obtenir de plus grands photodétecteurs sur un capteur:

1. Ont moins de pixels.

2. Agrandir le capteur.

Le premier est un compromis contre la résolution, qui peut ou non entraîner une amélioration nette, tandis que le second est un gain global. Dans l'iPhone 5S, ils sont allés avec ce dernier, ce qui est bien.

Les petits capteurs tels que ceux des téléphones portables et des appareils photo compacts souffrent le plus d'avoir de petits pixels, car pour le même nombre de pixels, leurs pixels doivent être beaucoup, beaucoup plus petits que ceux des reflex numériques et autres appareils photo professionnels / prosommateurs.

La course mégapixels

Le désir d'introduire de plus en plus de pixels dans les capteurs de l'appareil photo a des rendements décroissants en résolution et a commencé à nuire - ou a négligé d'améliorer - la sensibilité des petits capteurs des téléphones portables et des appareils photo compacts.

Malheureusement, il était motivé par la mentalité selon laquelle "plus de pixels = meilleur appareil photo", car le nombre de mégapixels est très facile à commercialiser. En réalité, les rendements décroissants garantissent que plus vous ajoutez de pixels, moins il est important d'en ajouter plus, et nous arrivons au point où de nombreux capteurs, en particulier les plus petits à l'intérieur des téléphones portables, ne peuvent même pas résoudre suffisamment de résolution pour justifier le nombre de mégapixels de toute façon, en raison des propriétés de l'objectif utilisé et de l'image la plus nette qu'ils peuvent produire sur le capteur.

Les progrès de la technologie des capteurs tels que les microlentilles et le rétro-éclairage, ainsi que les algorithmes de réduction du bruit plus avancés, ont quelque peu compensé la perte de sensibilité due à l'augmentation du nombre de pixels dans un si petit capteur, mais pas assez loin: les caméras de téléphone portable d'aujourd'hui sont encore bruyant à l'intérieur et en basse lumière en raison de leur petite zone de collecte de lumière.

Il est très difficile de commercialiser votre appareil photo en fonction de la sensibilité ou d'autres aspects de la qualité d'image, lorsque le nombre de mégapixels reste la principale statistique marketing associée aux appareils photo numériques, même si elle est trompeuse.

Alors, pourquoi Apple le commercialise-t-il de cette façon?

Le public non informé s'attend toujours à ce que si un appareil photo s'améliore, son nombre de mégapixels augmente.

Apple, cependant, lance un "meilleur" appareil photo dans son téléphone portable, mais sans augmentation du nombre de mégapixels.

Techniquement, c'est une bonne idée pour la qualité d'image. Cependant, il est difficile d'expliquer aux gens pourquoi, alors qu'ils ont été conditionnés à croire que le nombre de mégapixels est la principale mesure de la qualité d'image.

La commercialisation de la caméra iPhone 5S de cette manière est une tentative de:

1. Déplacer la commercialisation des capteurs de caméra loin du nombre de pixels et vers la sensibilité et d'autres aspects de la qualité.

2. Ne vous laissez pas distraire par le fait que le nombre de mégapixels, qui, selon de nombreuses personnes, détermine toujours la qualité de l'image, n'a pas augmenté.

Malheureusement, ils ne sont pas les premiers à tenter cette même révolution et ne seront pas les derniers. Le mythe mégapixels est très solidement ancré.

Remarque: en réponse à certains commentaires ci-dessous, je définis le "mythe des mégapixels" comme le mythe selon lequel le nombre de pixels est le principal facteur déterminant la qualité de l'image et que plus de pixels est toujours de meilleure qualité - pas que le nombre de pixels n'ait aucun avantage. Le problème du mythe mégapixel est également inhérent au fait qu'il détourne l'attention de statistiques importantes telles que la taille du capteur, dont on ne parle pratiquement jamais pour les téléphones portables et les appareils photo compacts.

Est-ce vrai ou est-ce un stratagème de marketing?

C'est techniquement vrai, mais dans ce cas, la différence est si petite qu'elle est insignifiante.

Il est vrai que garder le même nombre de pixels et agrandir chaque pixel entraîne une meilleure sensibilité, et c'est ce qu'ils ont fait ici. Cela devrait entraîner un bruit plus faible (ou, si la caméra peut utiliser des vitesses plus rapides en conséquence, peut-être moins de flou de mouvement en cas de faible luminosité). Leur affirmation réelle selon laquelle "plus gros pixels = meilleure image" est une simplification de cela et pourrait potentiellement inciter les gens à penser que leurs images de lumière du jour en plein air pourraient également être améliorées, ce qui n'est pas le cas. Mais dans des scénarios de faible luminosité, la sensibilité améliorée fournira un avantage.

Cependant , ils ne les ont pas beaucoup agrandis. Avec seulement 6,6% d'augmentation de la taille du capteur, tout gain de sensibilité qui en résultera sera minuscule: si petit qu'il sera insignifiant. Pour mettre les choses en perspective, un reflex numérique a un capteur qui est environ 500 à 900% aussi gros qu'un appareil photo compact. Cela se traduirait par un gain de sensibilité significatif de plusieurs f-stops. Une augmentation de 6,6% est très insignifiante. Il représente environ un sixième d'un f-stop.

C'est donc aussi une sorte de stratagème de marketing. Pour réaliser des gains significatifs, ils devraient augmenter la taille du capteur beaucoup plus. C'est aussi un stratagème de marketing, car auparavant, leur marketing se concentrait sur le nombre de mégapixels, et pourtant ils ont maintenant changé leur façon de commercialiser parce qu'ils ont choisi de ne pas augmenter le nombre de mégapixels et veulent toujours pouvoir se vanter d'avoir amélioré l'appareil photo. .

En théorie, il est préférable d'avoir plus de pixels plus petits que d'avoir moins de grands pixels.

Un petit pixel capturera moins de photons et donc sa sortie est plus bruyante, mais en prenant plus d'échantillons, les moyennes de bruit sont éliminées, par un simple rééchantillonnage, vous pouvez simuler le résultat d'un capteur avec moins de pixels plus grands.

Mais vous pouvez faire mieux que simplement faire correspondre le résultat de pixels plus grands. Plus de petits pixels capturent ensemble plus d'informations. Les gros pixels vous permettent de savoir combien de photons sont tombés, disons une zone de 5 µm x 5 µm. Les petits pixels indiquent également combien de photons sont tombés dans cette même zone, mais peuvent également révéler combien sont tombés la région supérieure gauche de 25 µm x 25 µm, la région inférieure droite de 25 µm x 25 µm, etc. Ces informations supplémentaires peuvent être utilisées pour un rééchantillonnage plus intelligent pour produire moins de bruit. des images plus détaillées à la même résolution qu'une caméra avec des pixels plus grands et plus sensibles.

Dans la pratique, les choses ne sont jamais tout à fait égales. Lorsque le bruit de lecture est pris en compte, la lecture des valeurs à partir de 4 pixels plus petits signifie prendre la pénalité de bruit de lecture quatre fois, ce qui conduit à un plus grand bruit dans les ombres et à une réduction du DR. Cela ne devrait pas être un problème avec les derniers capteurs Sony Exmor avec un bruit de lecture ultra faible, mais c'est peut-être la raison pour laquelle Canon n'a pas produit en 2013 un corps de plus de 22 MP).

Les pixels ne sont pas des entités plates. Habituellement, la partie photosensible est en bas avec l'électronique environnante sur les couches au-dessus. Cela rend les pixels un peu comme un puits. Lorsque vous faites des pixels très très petits, la proportion de zone photosensible diminue et la profondeur du puits ainsi qu'une proportion de sa largeur deviennent beaucoup plus grandes, ce qui réduit le nombre d'angles dont il peut recevoir la lumière et donc la sensibilité.

C'est là où ils en sont avec les capteurs de caméra de téléphone, ils ne peuvent pas augmenter le nombre de pixels sans sacrifier sérieusement la fraction de remplissage et l'efficacité angulaire, donc pour essayer d'attirer les consommateurs, ils réduisent le nombre de pixels. La meilleure solution est de rendre le capteur plus grand, mais cela nécessiterait un objectif plus grand et ne permettrait pas un corps ultra mince qui vend beaucoup de téléphones.

Il y a également des inconvénients à avoir moins de pixels plus grands. La fréquence d'échantillonnage réduite conduit à une augmentation du moiré, nécessitant des filtres anti-alias plus puissants exacerbant le problème de la résolution réduite. Un taux d'échantillonnage plus faible entraîne également davantage d'erreurs de dématriçage.

Malheureusement, le mantra «mauvais petits pixels» est appliqué à toutes les tailles de format et amène les fabricants d'appareils photo à hésiter à faire avancer la qualité en augmentant le nombre de pixels car la «sagesse conventionnelle» est que c'est une mauvaise idée et rend les images plus bruyantes, plus sujettes à l'appareil photo secouer et nécessite de meilleurs objectifs (chacun de ces points n'est pas vrai).

L'idée principale ici est qu'un capteur plus grand donne une meilleure image (si les capteurs utilisent la même technologie). Ce qu'Apple a fait est d'augmenter la taille du capteur et, en gardant le même nombre de pixels, chaque pixel aura un rapport signal / bruit plus élevé, ce qui donnera une meilleure image.

Il s'agit de capter la lumière qui entre aussi précisément que possible.

C'est assez simple, avec une plus grande surface (par pixel), vous capterez plus de lumière et pourrez faire une représentation plus précise de cette lumière dans le résultat final.

Il est vrai que les photos seront meilleures, mais seulement 15% par pixel n'est pas spectaculaire. C'est donc aussi du marketing. Nokia a fait la même chose avec son PureView. Le sous-échantillonnage de 41 mégapixels à 5-10 mégapixels réduira également considérablement les niveaux de bruit. PureView de Nokia sera superioir à cela si vous me le demandez.

La création de pixels plus grands présente deux avantages principaux:

1. des pixels plus gros collectent plus de lumière, donc le capteur est plus sensible. Cela signifie que dans des conditions de faible luminosité, vous pouvez photographier avec une faible sensibilité ISO et donc avec un faible bruit.

2. avec de grandes ouvertures (par exemple f / 2.2) et peu de capteur, de nombreux rayons lumineux interagissent de manière aléatoire avec différents pixels brouillant votre image. Et cela abaisse la résolution.

Cependant, même si nous démystifions le mythe bien connu du mégapixel, nous généralisons la vérité «la plus grande est la meilleure» sur les capteurs. Bien sûr, la façon dont indiqué ci-dessus est vraie, mais les performances d'un appareil photo dépendent de nombreux autres facteurs. Pour projeter une image dans un capteur plus grand en maintenant une courte distance entre la lentille frontale et le capteur (comme un iPhone doit le faire), vous avez besoin de plus d'objectifs, et si la qualité de l'un de ces objectifs n'est pas bonne, toutes les performances du système sera pire. Donc , « pixels plus gros = meilleure image » est un slogan qu'une loi.