- La netteté, c’est du flou ! V2USM et antialiasing ou comment le flou donne l’illusion de la netteté, Le numérique, comment ça marche (2)

,  par Hervé BERNARD dit RVB , 1 commentaire

Les critiques d’art, les publicitaires, les photographes considèrent, à divers titre, le couple flou-net comme un aspect essentiel de l’appréciation de la qualité d’une image. Cependant, ce couple, comme de nombreux critères esthétiques lié à la perception, ne peut-être apprécié que de manière contextuelle. Pourtant, les physiciens, et plus particulièrement les opticiens, bien avant l’apparition du numérique, ont développés des outils de mesure de la netteté et par conséquent du flou d’une image. Après tout, le flou n’est que la valeur négative de la netteté. Outils qui, pour la majeure partie d’entre eux, ont évolués parallèlement au développement de la photographie et de l’imprimé.

L’outil de référence, la mire Koren, pour la mesure de la définition d’une image photographique ou imprimée, mesure le nombre de paires de lignes reproduites par millimètre. Paire de lignes parce qu’il s’agit de mesurer la capacité à reproduire une alternance de ligne blanche et de ligne noire. C’est pourquoi on parle de paires de ligne, de fréquence ou encore de période. La densité des lignes varie de 2 à 200 paires de ligne par millimètre selon les zones de la mire. Bien entendu, pour un système de reproduction, si l’on change un élément de ce dispositif que ce soit l’optique, la sensibilité du film ou du capteur ou encore si l’on modifie le diaphragme et/ou la mise au point, nous sommes alors en présence d’un nouveau dispositif qui aura une définition différente du dispositif précédent. Les mesures du pouvoir séparateur seront donc à refaire. C’est pourquoi, ces mesures sont non seulement accompagnées des caractéristiques de l’optique, du capteur ou de la pellicule mais aussi du diaphragme utilisé.

Cependant, ce nombre de paires de lignes ne fournit qu’une information partielle. En effet, des éléments subjectifs interviennent dans cette sensation et, finalement, c’est cette sensation qui prime car les chiffres ont seulement un rôle indicateur. Ainsi, le contraste et le modelé de couleurs sont des éléments primordiaux de cette sensation comme le montre l’exposition « Photochrome » à la Bibliothèque Forney (Paris)1 . D’un point de vue perceptif, il est raisonnable d’affirmer que l’échantillonnage des couleurs influe sur la sensation de netteté. D’ailleurs, la compression Jpeg est là pour nous le rappeler. À première vue, quoi de plus imprécis qu’un ciel ou un nuage de poussières ? Pourtant, très curieusement, ces zones de l’image correspondent aux zones où les pertes de définition apparaissent en premier lors d’une compression. Pourquoi ? Parce qu’en réduisant les nuances d’une même couleur, on fabrique des à-plats et des artefacts qui perturbent le modelé. Ainsi, la photo de cette chauve-souris devient illisible lorsque l’on ramène son échantillonnage couleur à quatre couleurs.

En fait, quand on réduit le nombre de couleurs d’un dégradé, on fabrique une régularité qui détruit la forme notamment s’il s’agit d’un tube. Pour compenser cette tendance à transformer un tube en un polygone, on emploie un algorithme afin de générer du bruit. L’objectif de ce bruit est de casser la disposition régulière des couleurs dans les zones de transition afin de tromper notre œil. Parenthèse : à ce titre, on pourrait dire d’un point de vue perceptif, qu’une photo noir et blanc est moins bien définie qu’une photo couleur. En effet, cette image a perdu sa chrominance.


A gauche, photo d’une chauve-souris en 16 millions de couleurs et à droite, la même photo ramenée à 4 couleurs, la réduction du nombre de couleurs provoque une perte de détail et donc une réduction du nombre de nuances contenues dans l’image.


Dans cette image, la réduction du nombre de couleurs transforme le tube en un objet semblable à un polygone.


Le flou de surface ou comment donner l’illusion d’un dégradé en 16 millions de couleurs avec seulement 18 couleurs, dans ces trois variantes, nous avons utilisé trois algorithmes de bruits différents. C’est pourquoi, la visibilité des bandes n’est pas identique.

Le même dégradé en huit couleurs avec un algorithme de bruit moins performant et enregistré au format Gif.

L’un des paradoxes du numérique mais aussi de la photogravure traditionnelle, de la vidéo analogique, celle du temps des caméras équipées des bons vieux tubes CRT ; est que toutes ces technologies recourent au flou pour donner la sensation de netteté. En effet, comme le montre les photochromes de l’exposition de la Bibliothèque Forney, le contour des zones d’une image est l’un des éléments subjectifs essentiel à cette sensation de définition.

D’un point de vue perceptif, qu’est-ce que le contour ? C’est une transition brusque. En effet si vous cernez une forme d’un trait noir ou de couleur foncée, que faites-vous ? Vous accentuez (d’où le fameux filtre d’accentuation), vous renforcez la transition en fabriquant une limite brusque entre des zones de couleurs différentes. Ce que fait « la ligne claire » en bande dessinée. En fait, créer un contour est le rôle du filtre accentuation appelé en anglais USM (Unsharp Masking, c’est à dire mot à mot : masque de réduction de la netteté, de manière plus concise : masque de flou). Contrairement à de nombreux propos, ce filtre n’augmente pas les détails d’une image, une image ne peut contenir que les détails qu’elle contient, lapalissade importante à rappeler. Une fois enregistrée, il est impossible d’ajouter des détails à une photographie à moins de la transformer en un photomontage et ce n’est alors plus des mêmes détails que l’on parle. Il s’agit dans ce cas d’éléments ajouté. En fait, ce filtre augmente l’acutance, c’est-à-dire le contraste local et les transitions entre deux zones de l’image. Pour cela, il accentue les contrastes entre les zones en réduisant les nuances et donc les détails à la frontière entre deux zones.

Créer du contour, c’est donc réduire la surface de la zone de transition située de chaque côté de la limite entre ces deux zones. Comment ? Par un renforcement de la partie dense de la transition et par un éclaircissement de la partie claire. Ce qui revient à diminuer le nombre de nuances présentes dans cette transition, diminution qui accentue, renforce le contour entre les zones2. Pour reprendre une expression du monde de l’imprimerie, « on donne du dessin à la photo ». Là aussi le numérique n’a rien inventé. En effet, on utilise une technique de l’imprimerie combinant un négatif flou (produit par le filtre de flou gaussien) avec le positif original. La disparité des bords flous et des bords nets intensifie de ce fait le contraste local, faisant apparaître l’image plus nette. La luminosité de chaque pixel de chacune des images est ensuite comparée et plus la différence augmente, plus on est proche d’une zone de transition. Une fois ce calcul effectué, le niveau d’augmentation de la luminosité de chaque pixel reste à définir par le paramètre d’intensité du filtre. En imprimerie traditionnelle, on obtenait un résultat similaire : renforcement du contour en augmentant le taux d’encrage du noir lors de l’impression.


Accentuation de la partie droite de l’image, gain maximum 460% pour un rayon de 5 pixels, et un rayon de 255 niveaux. Cette application du filtre d’accentuation montre comment le contour est produit au détriment des nuances de l’image notamment dans les fleurs et dans la calandre.

C’est là où intervient notre référence à l’exposition de la Bibliothèque Forney. Ces images en couleur ont été réalisées à partir de photos noir et blanc dont a tiré des négatifs. Ensuite ces négatif subissent plusieurs traitements :
- certaines zones de ces négatifs sont masquées afin de fabriquer les matrices de chaque couleur d’impression d’un nombre bien souvent supérieur à quatre. Ce qui explique la richesse de couleurs de ces images.
- Chacune de ces matrices est posée sur une pierre lithographique enduite d’une couche de bitume de Judée photosensibilisée qui accentue le contraste. Au passage, on se souviendra que pour augmenter la netteté d’une photo argentique noir et blanc, on augmentait son contraste ce qui réduit là aussi les transitions entre les nuances de gris.
- une fois insolée, puis lavée elles sont encrées, tirées et chacune des couleurs sont superposées pour fabriquer l’image finale en couleur.

Et voilà, le tour est joué, non seulement on a des images en couleur réalisées à partir d’une photo noir et blanc mais elles peuvent-être imprimées en plusieurs centaines d’exemplaires et avec une saturation et une vivacité des couleurs bien supérieure à celle de l’offset. De plus, ces images ont un piqué incroyable parce qu’elles sont partiellement dessinées par ce processus de reproduction.

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planche photographique des frères Bisson, année 1860

Cette parenthèse par l’histoire de la photo achevée, abordons maintenant l’antialiasing spatial, l’autre technique de flou qui sert à fabriquer de la netteté. Pour mémoire, le rôle de ce filtre est d’atténuer au point de supprimer visuellement l’effet d’escalier dû à la forme du pixel qui est carré ou rectangulaire. En effet, l’une des difficultés de l’image numérique est de produire pour l’œil l’illusion d’un cercle en utilisant des petits rectangles. Cette question est digne de la quadrature du cercle. Comment faire ?
- Première étape : réduire la taille des rectangles ; ce que l’on fait en réduisant la taille des pixels. De fait, celle-ci a approximativement diminuée de moitié depuis la création des premiers appareils photos numériques et des premiers scanneurs utilisant des capteurs CCD3. En effet, nous sommes passés de pixels de 15 microns (pour les premiers appareils numériques) à 6-8 microns aujourd’hui. Cependant, cette méthode se heurte perpétuellement aux limites technologiques. Par conséquent, pour contourner cet obstacle, depuis la création de la photo numérique, on s’amuse à tromper l’œil.
- Comment ? en accroissant les transitions [on crée pour cela un dégradé] entre les couleurs. En fait, on utilise donc le principe inverse du filtre d’accentuation. En augmentant ces transitions, on réduit la visibilité des angles de chaque pixel car on multiplie les nuances entre deux valeurs et paradoxalement, on donne l’illusion d’un contour mieux dessiné, ce qui laisse croire au couple œil-cerveau que la définition est meilleure. En fait, d’un point de vue pratique, la définition du contour est meilleure mais, la définition de chaque point est moins bonne car chaque pixel est moins visible. En fait, on noie le poisson, oups ! Non le pixel.


Le petit cercle de gauche est antialiasé tandis que le cercle de droite ne l’est pas. Son contour nous paraît plus régulier même si a perdu un peu de sa densité. Dans la dernière version de Photoshop, vous retrouvez cette algorithme sous le nom de lissage, dans la fonction amélioration du contour.

Pourquoi, dans les deux cas a-t-on opté pour la création de flou afin de donner à l’œil l’illusion de la netteté ? D’abord parce qu’une photo, l’un de nos référents dans le domaine de l’image, contrairement à ce que nous raconte nos yeux, est floue. Plus exactement, les transitions entre les différentes zones d’une image ne sont jamais dessinées, elles ne sont pas tranchées, elles sont progressives. Comment se fait-ce ? Une photo est faite d’un amas de point généré par des grains d’argent de tailles et de dispositions irrégulières, cette irrégularité produit donc des formes dont le contour est lui-même plus ou moins irrégulier4. Or, l’œil détecte très bien les ruptures de continuité, donc il avale le poisson et croit détecter des lignes là où bien souvent, dans une photo, il n’y en a pas au sens graphique. En fait, le pixel, c’est-à-dire le plus petit point d’une image numériques est trop net par rapport au rendu photographique produit par des points faiblement discernables à l’œil nu. Avec, le numérique, certes, les points ou pixels sont disposés régulièrement mais en plus ils ont l’énorme défaut d’être d’une forme régulière et de taille constante. Pour donner à une photo numérique le « look and feal » d’une image photographique, il faut donc casser cette régularité. C’est pourquoi, on ajoute du flou aux images afin de les rendre nets.

Postface enthousiaste
Citations de Les Vacances du lundi et sous-titré Tableaux de montagne par Théophile Gauthier à propos des photos des frères Bisson qu’il accompagna dans les Alpes. Le récit de ses excursions dans les massifs des Vosges et des Alpes suisses ou françaises en plusieurs livraisons dans le Moniteur universel. Il les rassembla en un volume paru en 1869 intitulé.5

« Aucune description de poète, pas même le lyrisme de lord Byron dans son Manfred, ne peut donner l’idée de ce prodigieux spectacle qui restitue à la terre sa beauté d’astre, défiguré par l’homme. Les couleurs du peintre, si un peintre montait jusque-là, se glaceraient sur sa palette. Eh bien ! ce que ni l’écrivain ni l’artiste ne saurait faire, la photographie vient de l’exécuter.
[…]
Les montagnes semblent jusqu’à présent avoir défié l’art. Est-il possible de les encadrer dans un tableau ? Nous en doutons, même après les toiles de Calame. […]
Voici un fragment, une vague de la mer de glace, avec ses déchiquetures, ses cristallisations, ses milliards de prismes contrariés, travail immense que s’est donné la nature d’allier le détail infinitésimal à l’ensemble énorme et chaotique. Les pics de Charmoz, coupés de bancs de nuages, ferment cet étrange tableau.
Malgré tous les obstacles qu’il a entassés autour de lui, le mont Blanc n’a pas échappé à l’opiniâtre recherche de la science. Nous le tenons, farouche et seul, emprisonné dans le cadre étroit d’une planche photographique. La neige, ne trouvant même plus pour se poser la mousse intrépide, ce pionner de la végétation, glisse sur le roc nu et se loge avec peine dans les anfractuosités devenues rares, car on dirait que, las de lutter contre la pression du vide, le géant s’est affaissé sur lui-même ; une surface relativement plane s’étale au sommet du mont Blanc. »
[…]
« Voici la petite troupe qui part des Grands-Mulets pour faire tenter à la photographie l’ascension du mont Blanc. Pour le coup, nous avons dépassé la zone humaine ; la végétation a disparu ; plus de trace de vie, rien que la neige bizarrement bossuée et dont çà et là quelques roches sombres percent le blanc linceul comme une échine maigre troue le manteau qui la couvre. Comparer à des fourmis en marche les hommes de la caravane conduite par Auguste Balmat serait une similitude assurément trop grandiose. Quelle solitude, quel silence, quelle désolation ! et par-dessus cela un vide opaque et noir fait de nuages qui rampent au lieu de flotter. Un peu plus haut, la rencontre des glaciers des Bossons et du Taconay produit un épouvantable chaos. Figurez-vous des courants d’une débâcle polaire, arrêtés par quelque obstacle invincible ; les glaces s’amoncellent, rejaillissent les unes par-dessus les autres en blocs, en prismes, en polyèdres, en cristaux de toutes les formes imaginables ; les érosions, les fissures, les fontes partielles écornent, divisent, déforment le tumultueux entassement dont les déhiscences semblent découvrir l’ossuaire des créations primitives. Dans cette fente large et profonde comme un gouffre se hissent les intrépides explorateurs
[…],
effrayants à voir quoique à peine perceptibles, car l’immensité du tableau dévore les figures, comme si la solitude de la montagne ne voulait pas être violée. Cette vaste photographie, où vingt personnages ne s’aperçoivent pas, n’est qu’un pli de cette mer immobile, plus accidentée et plus houleuse que l’Océan dans ses fureurs. On la voit se continuer par-delà le cadre de la planche sous son écume de neige. Cela donne tout à fait l’impression qu’on éprouve en observant la lune au télescope, lorsque l’ombre tombant de ses montagnes en dessine les anfractuosités sur le fond d’argent de son disque ébauché à demi. »
[…]

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planche photographique des frères Bisson, année 1860

« Nous avons essayé, dans ce rapide examen, de rendre l’impression produite par l’œuvre de MM. Bisson, qui serait digne d’illustrer le Cosmos de Humboldt ou quelque traité de géologie. Pour terminer, nous ne pouvons que remercier les courageux photographes d’avoir fourni à la science et à l’art de nouveaux éléments et de nouvelles images. »
[…]
« Le réaliste le plus obstiné est bien forcé d’employer, pour rendre la nature, certaines conventions de composition ou d’exécution. S’il est question de la composition, il ne peut prendre un morceau isolé ou même une collection de morceaux pour en faire un tableau. Il faut bien circonscrire l’idée, pour que l’esprit du spectateur ne flotte pas sur un tout nécessairement découpé ; sans cela, il n’y aurait pas d’art. Quand un photographe prend une vue, vous ne voyez jamais qu’une partie d’un tout : le bord du tableau est aussi intéressant que le centre ; vous ne voyez qu’une portion qui semble choisie au hasard. L’accessoire est aussi capital que le principal ; le plus souvent, il se présente le premier et offusque la vue. […] Devant la nature même, c’est notre imagination qui fait le tableau : nous ne voyons ni les brins d’herbe dans un paysage, ni les accidents de la peau dans un joli visage […]. »

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planche photographique des frères Bisson, année 1860

« Sur des sommets comme le Rigi-Kulm, il faut regarder, mais il ne faut plus peindre. […] Ce ne sont plus des paysages, ce sont des aspects monstrueux.
[...] ; le paysage est fou.
[…]
« En présence de ce spectacle inexprimable, on comprend les crétins dont pullulent la Suisse et la Savoie. Les Alpes font beaucoup d’idiots. Il n’est pas donné à toutes les intelligences de faire ménage avec de telles merveilles […] »

« Leur dimension [des montagne] dépasse toute échelle ; une légère strie au flanc d’une pente, c’est une vallée ; ce qui paraît une plaque de mousse brune est une forêt de pins de deux cents pieds de haut ; ce léger flocon de brume s’étale en nuage immense. En outre, la verticalité des plans change toutes les notions de perspective dont l’œil à l’habitude. Au lieu de fuir à l’horizon, le paysage alpestre se redresse devant nous, accumulant ses hautes découpures les unes derrières les autres. »

© Texte et images Hervé Bernard 2009