Sciences numériques et technologie (SNT) 2ⁿᵈᵉ
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Photographie numérique
Capteur et photosites, algorithmes de prise de vue, construction de l'image finale, métadonnées EXIF (SNT de 2nde)
À propos de cette page
Ce cours de sciences numériques et technologie (SNT) en seconde sur « Photographie numérique » suit le programme officiel de sciences numériques et technologie (SNT) de seconde. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : L'essentiel, Du capteur à l'image : photosites et pixels, Les algorithmes de la prise de vue, La construction de l'image finale. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de seconde à réussir en sciences numériques et technologie (SNT).
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L'essentiel
Capteur et photosite. Dans un appareil photo numérique, le capteur remplace la pellicule : c'est une puce couverte de millions de cellules sensibles à la lumière, les photosites. Pendant la pose, chaque photosite convertit la lumière reçue en charge électrique, ensuite traduite en un nombre.
Pixel. Le pixel (de picture element) est le plus petit élément de l'image numérique enregistrée. Il porte une couleur, décrite par trois composantes : rouge, vert, bleu.
Définition d'une image. Nombre total de pixels : largeur × hauteur (en pixels). On l'exprime souvent en mégapixels : 1 Mpx = 1 000 000 pixels.
Résolution. Densité de pixels sur un support : nombre de pixels par pouce (ppp, ou dpi), avec 1 pouce = 2,54 cm. Elle n'a de sens que pour une image imprimée ou affichée sur une surface donnée.
Vocabulaire du programme. Le programme officiel parle de « résolution du capteur » (en millions de photosites) et de « résolution de l'image » (en mégapixels) : « résolution » y désigne un nombre de pixels. Dans ce cours, comme dans le chapitre « Image numérique et codage », « définition » désigne le nombre de pixels et « résolution » le nombre de pixels par pouce ; dans un énoncé, l'unité (Mpx ou ppp) indique de quoi il s'agit.
Métadonnées EXIF. Informations enregistrées dans le fichier avec l'image : date, appareil, réglages de prise de vue, parfois position GPS.
Exemple. Une image de 6 000 × 4 000 pixels a une définition de 6 000 × 4 000 = 24 000 000 pixels, soit 24 Mpx.
Repères historiques. 1826-1827 : Niépce obtient la plus ancienne photographie conservée, le Point de vue du Gras (le programme retient 1826 ; les historiens la datent aujourd'hui de l'été 1827). 1839 : présentation du daguerréotype. 1861 : première photographie en couleurs selon le procédé de Maxwell (trois prises à travers des filtres rouge, vert, bleu). 1907 : les frères Lumière commercialisent l'autochrome, l'un des premiers procédés de photographie en couleurs. 1969 : invention du capteur CCD par Willard Boyle et George Smith (prix Nobel de physique 2009). 1975 : premier prototype d'appareil photo numérique chez Kodak, conçu par Steven Sasson : 100 × 100 pixels, soit 0,01 Mpx. 1976 : brevet du filtre de Bayer (Bryce Bayer, Kodak). Années 2000 : l'appareil photo s'intègre au téléphone portable. 2007 : arrivée du smartphone (premier iPhone).
Une pratique de masse. Une photo numérique ne coûte presque rien et se partage instantanément sur Internet. Le cabinet d'études Rise Above Research estime qu'environ 1 950 milliards de photos seront prises dans le monde en 2026, soit plus de 5 milliards par jour, en très grande majorité avec des smartphones. Aux photos souvenirs s'ajoutent les photos à partager et les photos « pense-bête » (ticket de caisse, place de parking…). De nouveaux problèmes apparaissent : photos impossibles à faire disparaître (droit à l'oubli), trucages difficiles à détecter, pistage des personnes, conservation des images quand les supports et les formats vieillissent.
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Du capteur à l'image : photosites et pixels
Un photosite ne voit pas les couleurs. Il mesure seulement une quantité de lumière. Pour obtenir la couleur, on place devant le capteur une mosaïque de filtres colorés : le filtre de Bayer. Son motif de 2 × 2 photosites comporte 1 filtre rouge, 2 filtres verts et 1 filtre bleu. Il y a deux fois plus de vert car l'œil humain est plus sensible au vert.
Dématriçage. Chaque photosite ne fournit qu'une composante sur trois. Pour chaque pixel, un algorithme calcule les deux composantes manquantes à partir des photosites voisins (interpolation) : c'est le dématriçage.
Exemple. Un capteur de 24 Mpx à filtre de Bayer compte 12 millions de photosites verts, 6 millions de rouges et 6 millions de bleus. L'image de 24 Mpx contient 3 × 24 = 72 millions de valeurs de couleur : seules 24 millions ont été mesurées, les deux tiers sont calculées.
Photosites et pixels ne coïncident pas toujours. L'image peut avoir moins de pixels que le capteur n'a de photosites : taille d'image réduite choisie par l'utilisateur, recadrage, ou regroupement de photosites (binning) sur les smartphones. Par exemple, un capteur de 108 Mpx qui regroupe ses photosites par blocs de 3 × 3 produit une image de 12 Mpx.
Taille des photosites. Elle se mesure en micromètres (µm). Un grand photosite reçoit plus de lumière : sa mesure est moins bruitée, surtout en faible lumière.
Profondeur de la mesure. Un convertisseur analogique-numérique code la mesure de chaque photosite, souvent sur 12 ou 14 bits, soit 212 = 4 096 ou 214 = 16 384 niveaux possibles.
Profondeur de couleur de l'image finale. Dans l'image finale (JPEG par exemple), chaque composante d'un pixel est en général codée sur 8 bits, soit 28 = 256 niveaux (de 0 à 255) : un pixel occupe 3 × 8 = 24 bits, ce qui permet 256 × 256 × 256 = 16 777 216 couleurs. Les 12 ou 14 bits mesurés par le capteur sont donc ramenés à 8 bits par composante pendant le traitement ; seul le fichier RAW les conserve. Le codage des pixels est approfondi dans le chapitre « Image numérique et codage ».
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Les algorithmes de la prise de vue
Exposition automatique. L'appareil mesure la lumière de la scène puis choisit trois réglages : l'ouverture du diaphragme (notée f/…), le temps de pose (durée pendant laquelle le capteur reçoit la lumière) et la sensibilité ISO (amplification du signal, qui augmente le bruit).
Exemple. À ouverture et ISO fixés, passer de 1/320 s à 1/160 s double la durée de pose, donc double la quantité de lumière reçue. Mais un temps de pose long expose au flou de bougé.
Mise au point automatique (autofocus) par contraste. L'algorithme déplace la lentille, mesure le contraste de l'image à chaque position et retient la position où il est maximal : une image nette a des contours francs, donc un fort contraste. Beaucoup d'appareils utilisent aussi une détection de phase, plus rapide.
Balance des blancs. L'algorithme estime la couleur de l'éclairage (lampe orangée, ciel bleuté…) et corrige les composantes pour qu'un objet blanc apparaisse blanc.
Photographie computationnelle. Les smartphones combinent plusieurs images par calcul :
• HDR : fusion d'images sous-exposées et surexposées pour garder des détails dans les zones claires et sombres ;
• mode nuit : plusieurs poses courtes alignées puis moyennées, ce qui réduit le bruit sans flou de bougé ;
• mode portrait : l'arrière-plan est flouté par calcul après estimation de la profondeur.
S'y ajoutent la stabilisation et la détection de visages (mise au point et exposition sur les visages).
• HDR : fusion d'images sous-exposées et surexposées pour garder des détails dans les zones claires et sombres ;
• mode nuit : plusieurs poses courtes alignées puis moyennées, ce qui réduit le bruit sans flou de bougé ;
• mode portrait : l'arrière-plan est flouté par calcul après estimation de la profondeur.
S'y ajoutent la stabilisation et la détection de visages (mise au point et exposition sur les visages).
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La construction de l'image finale
| Étape | Ce qui se passe | Nature |
|---|---|---|
| 1 | La lumière traverse l'objectif puis le filtre de Bayer | optique |
| 2 | Chaque photosite accumule une charge électrique | physique |
| 3 | Conversion analogique-numérique : données brutes (RAW) | électronique |
| 4 | Dématriçage : reconstitution des trois composantes de chaque pixel | algorithme |
| 5 | Balance des blancs, réglage de la luminosité et du contraste | algorithme |
| 6 | Réduction du bruit, accentuation de la netteté, correction des défauts de l'objectif | algorithme |
| 7 | Compression (souvent JPEG) et enregistrement avec les métadonnées EXIF | algorithme |
RAW ou image traitée. Le fichier RAW contient les mesures brutes des photosites, avant dématriçage : il est lourd mais laisse toute latitude à la retouche. L'image traitée (JPEG par exemple) est le résultat de toute la chaîne : plus légère, mais une partie de l'information a été perdue.
À retenir. L'image que l'on voit n'est pas une « copie » de la scène : c'est le résultat de nombreux calculs, faits en une fraction de seconde par le processeur de l'appareil.
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Les métadonnées EXIF
| Champ EXIF | Signification |
|---|---|
Make, Model | marque et modèle de l'appareil |
DateTimeOriginal | date et heure de la prise de vue (horloge de l'appareil) |
DateTime, Software | date de dernière modification, logiciel utilisé |
ExposureTime, FNumber, ISOSpeedRatings | temps de pose, ouverture, sensibilité |
FocalLength, Flash | focale de l'objectif, déclenchement du flash |
PixelXDimension, PixelYDimension | dimensions de l'image en pixels |
GPSLatitude, GPSLongitude | position de la prise de vue |
Les retrouver. Propriétés du fichier sur l'ordinateur, informations de la galerie du téléphone, visionneuse d'images, ou programme qui lit ces champs.
Vie privée. Les coordonnées GPS situent la prise de vue à quelques mètres près. Avant de publier une photo prise chez soi, on supprime les EXIF ou on désactive la géolocalisation de l'appareil photo.
Pas une preuve. Les EXIF se modifient facilement, et la date vient de l'horloge de l'appareil, qui peut être mal réglée.
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Traiter une image par programme
Principe. Une fois l'image construite, chaque pixel est un triplet (r, v, b) d'entiers de 0 à 255. Traiter une image par programme, c'est parcourir tous ses pixels avec deux boucles imbriquées et, pour chacun, calculer de nouvelles valeurs des trois composantes. En Python, la bibliothèque Pillow fournit
getpixel (lire un pixel) et putpixel (écrire un pixel).Exemple : corriger une dominante bleue. Une photo prise à l'ombre paraît trop bleue. On renforce le rouge de 25 % et on diminue le bleu de 20 %, sans dépasser 255 : c'est le principe d'une balance des blancs réglée à la main.
from PIL import Image
img = Image.open('plage.png').convert('RGB')
L, H = img.size
for x in range(L):
for y in range(H):
r, v, b = img.getpixel((x, y))
r = min(255, int(r * 1.25))
b = int(b * 0.8)
img.putpixel((x, y), (r, v, b))
img.save('plage_corrigee.png')min ramène la valeur à 255.Autres traitements classiques. Négatif : (255 − r, 255 − v, 255 − b). Niveaux de gris : g = (r + v + b) // 3, puis (g, g, g). Éclaircir, augmenter le contraste, extraire les contours en comparant chaque pixel à ses voisins : ces programmes sont détaillés dans le chapitre « Image numérique et codage ». L'appareil photo applique lui-même ce type de calcul à des millions de pixels, avec des coefficients choisis automatiquement.
Rester entre 0 et 255. Une composante doit être un entier de 0 à 255 : on arrondit (
int) et on écrête avec min et max. On enregistre de préférence dans un format sans perte (PNG) pour ne pas ajouter de compression JPEG.7
Méthodes
Méthode 1 — Distinguer photosites et pixels
- Calculer le nombre de photosites du capteur (fiche technique : largeur × hauteur).
- Calculer le nombre de pixels de l'image enregistrée (dimensions lues dans les EXIF ou les propriétés du fichier).
- Comparer : s'il y a égalité, chaque pixel correspond à un photosite et deux composantes sur trois sont calculées ; si l'image est plus petite, chercher la cause (taille réduite, recadrage, regroupement).
Exemple rédigé. Capteur de 4 032 × 3 024 photosites : 4 032 × 3 024 = 12 192 768 photosites, soit environ 12,2 Mpx. Photo enregistrée en 2 016 × 1 512 pixels : 3 048 192 pixels, soit environ 3,0 Mpx. Rapport : 12 192 768 ÷ 3 048 192 = 4, et 4 032 ÷ 2 016 = 3 024 ÷ 1 512 = 2. Chaque pixel résume donc un bloc de 2 × 2 photosites.
Méthode 2 — Calculer une taille d'impression
- Diviser le nombre de pixels par la résolution (en ppp) : on obtient une longueur en pouces.
- Multiplier par 2,54 pour convertir en centimètres.
- Dans l'autre sens : pixels nécessaires = longueur (cm) ÷ 2,54 × résolution, arrondi à l'entier supérieur.
Exemple rédigé. Image de 3 000 × 2 000 pixels imprimée à 300 ppp. Largeur : 3 000 ÷ 300 = 10 pouces, soit 10 × 2,54 = 25,4 cm. Hauteur : 2 000 ÷ 300 ≈ 6,667 pouces, soit ≈ 16,9 cm.
Méthode 3 — Exploiter des métadonnées EXIF
- Relever les champs utiles : date et heure, temps de pose, ouverture, ISO, flash, GPS.
- Interpréter les réglages : temps court et ISO faible → scène lumineuse ; temps long et ISO élevé → faible lumière, risque de flou et de bruit.
- Conclure avec prudence : les EXIF renseignent, mais ne prouvent rien à eux seuls.
Exemple rédigé.
DateTimeOriginal = 2025:07:14 18:42:05, ExposureTime = 1/250, FNumber = 2.8, ISO = 100, coordonnées GPS présentes. Photo prise le 14 juillet 2025 à 18 h 42, en scène bien éclairée (pose courte, sensibilité faible) ; le lieu est identifiable grâce au GPS.8
Pièges et erreurs classiques
Définition ≠ résolution. « 24 Mpx » est une définition (un nombre de pixels), pas une résolution (des pixels par pouce).
Un photosite ne mesure pas trois couleurs. Il mesure une seule intensité, derrière un filtre ; les deux autres composantes du pixel sont calculées.
Plus de mégapixels ne signifie pas meilleure photo. Sur un capteur de même taille, plus de photosites veut dire des photosites plus petits, donc plus de bruit en faible lumière.
Mégapixel ≠ mégaoctet. Le premier compte des pixels, le second mesure la taille du fichier en mémoire.
Oublier le pouce. Une résolution en ppp s'utilise avec des pouces : on convertit avec 1 pouce = 2,54 cm.
Zoom numérique ≠ zoom optique. Le zoom numérique recadre et agrandit l'image par calcul : il n'ajoute aucun détail.
En bref
- Le capteur est formé de photosites ; l'image est formée de pixels.
- Filtre de Bayer : 50 % vert, 25 % rouge, 25 % bleu ; le dématriçage calcule les deux composantes manquantes de chaque pixel.
- Définition = largeur × hauteur (en Mpx) ; résolution = pixels par pouce ; taille imprimée (cm) = pixels ÷ ppp × 2,54.
- Algorithmes de prise de vue : exposition, autofocus, balance des blancs, HDR, mode nuit.
- Chaîne : optique → photosites → numérisation (RAW) → dématriçage → corrections → compression et EXIF.
- Les EXIF renseignent sur la prise de vue, peuvent révéler un lieu et ne constituent pas une preuve.
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