Qualité d'objectif : MTF, résolution et contraste

La qualité d'objectif est plus importante que jamais, en raison du nombre croissant de mégapixels des appareils numériques actuels. Souvent, la résolution de vos photos est limitée par l'objectif — et non par le capteur. Pourtant, déchiffrer les courbes MTF et comparer la résolution de différents objectifs peut être une science à part entière. Ce tutoriel donne un aperçu des concepts et termes fondamentaux pour évaluer la qualité d'un objectif. Au minimum, il devrait vous faire réfléchir à deux fois sur ce qui compte vraiment lors de l'achat de votre prochain appareil ou objectif.

Résolution et contraste

Tout le monde connaît le concept de résolution d'image, mais on y accorde souvent trop d'importance. La résolution ne décrit que la quantité de détails qu'un objectif peut capturer — pas nécessairement la qualité de ces détails. D'autres facteurs contribuent souvent bien plus à notre perception de la qualité et de la netteté d'une image numérique.

Pour comprendre, observons ce qui arrive à une image traversant un objectif et enregistrée sur le capteur. Simplifions avec des images composées de lignes noires et blanches alternées (« paires de lignes »). Au-delà de la résolution de l'objectif, ces lignes ne sont plus distinguables :

	→		→
Paires de lignes haute résolution		Objectif		Paires de lignes non résolues

Exemple de paires de lignes plus fines que la résolution de l'objectif.

Mais ce qui est moins bien compris, c'est ce qui arrive aux lignes plus épaisses. Même si elles restent résolues, elles se dégradent progressivement en contraste et en netteté des contours (voir netteté : résolution et acuité) à mesure qu'elles s'affinent :

	→		→
Lignes progressivement plus fines		Objectif		Contraste et définition des contours progressivement moindres

Pour deux objectifs de même résolution, la qualité apparente de l'image sera donc principalement déterminée par la façon dont chaque objectif préserve le contraste quand les lignes s'affinent. Mais pour comparer équitablement les objectifs, il faut quantifier cette perte de qualité...

MTF : Fonction de transfert de modulation

Une Fonction de Transfert de Modulation (MTF) quantifie la capacité d'un objectif à préserver les variations de luminance régionales d'un sujet. L'exemple ci-dessous illustre une courbe MTF pour un objectif parfait* :

Fréquence des paires de lignes croissante →
Extrême droite = Résolution maximale / Limite de diffraction.

Note : L'espacement entre lignes noires et blanches a été exagéré pour la visibilité.
Courbe MTF supposant une ouverture circulaire ; d'autres formes donnent des résultats légèrement différents.

*Un objectif parfait est limité uniquement par la diffraction.
Voir le tutoriel sur la diffraction en photographie pour plus de détails.

Une MTF de 1,0 représente une préservation parfaite du contraste, tandis que des valeurs inférieures indiquent une perte croissante — jusqu'à 0, où les paires de lignes ne sont plus distinguables. Cette limite de résolution est une barrière inévitable pour tout objectif ; elle ne dépend que de l'ouverture et non du nombre de mégapixels. La figure ci-dessous compare un objectif parfait à deux exemples réels :

Fréquence des paires de lignes croissante →

Objectif très haute qualité (proche de la limite de diffraction)

Objectif basse qualité (loin de la limite de diffraction)

Comparaison entre un objectif idéal limité par la diffraction (ligne bleue) et des objectifs réels.
L'illustration des paires de lignes sous le graphique ne s'applique pas à l'objectif parfait.
Survolez les étiquettes pour voir comment les objectifs haute et basse qualité diffèrent.

La ligne bleue représente la courbe MTF d'un objectif parfait « limité par la diffraction ». Aucun objectif réel n'est limité seulement par la diffraction, mais les objectifs haut de gamme s'en approchent bien plus que les objectifs bas de gamme.

Les paires de lignes sont souvent décrites par leur fréquence : nombre de lignes par unité de longueur. Cette fréquence s'exprime généralement en « PP/mm » — paires de lignes par millimètre. Parfois en largeurs de ligne (LL), où 2 LL = 1 PP.

La plus haute fréquence qu'un objectif peut reproduire sans perdre plus de 50% de la MTF (« MTF-50 ») est un chiffre important, car elle corrèle bien avec notre perception de la netteté. Un objectif haut de gamme avec MTF-50 de 50 PP/mm paraîtra bien plus net qu'un objectif bas de gamme à 20 PP/mm (à appareil, ouverture et conditions égaux).

Cependant, le graphique MTF vs fréquence n'est pas la façon habituelle de comparer les objectifs. Connaître (i) la résolution maximale et (ii) la MTF à deux fréquences différentes suffit souvent. Ce qui compte davantage, c'est de savoir comment la MTF évolue selon la distance au centre de l'image.

La MTF est généralement mesurée le long d'une ligne allant du centre vers un coin extrême, pour une fréquence fixe (généralement 10-30 PP/mm). Ces lignes peuvent être parallèles à la direction radiale (sagittales) ou perpendiculaires (méridionales). L'exemple ci-dessous montre comment ces lignes sont mesurées et affichées sur un graphique MTF pour un capteur plein format 35mm :

Paires de lignes Méridionales (circulaires)

Paires de lignes Sagittales (radiales)

→

Distance depuis le centre [mm]

Le centre de l'image auravirtuellement toujours la MTF la plus élevée, les positions plus éloignées ayant des valeurs progressivement plus basses. C'est pourquoi les coins sont pratiquement toujours la partie la plus molle et de moins bonne qualité. Nous verrons plus tard pourquoi les lignes sagittales et méridionales divergent.

Comment lire un graphique MTF

Mettons en pratique en comparant un zoom et une focale fixe :

Canon 16-35mm f/2.8L II
(zoom à 35mm) Canon 35mm f/1.4L
Focale fixe

En ordonnée : valeur MTF (1,0 = reproduction parfaite, 0 = lignes indistinguables). En abscisse : distance du centre, 21,6 mm étant le coin extrême sur 35 mm. Pour un capteur 1,6X, ignorez au-delà de 13,5 mm. Au-delà de ~18 mm en plein format, seul l'extrême coin est visible :

Note : Pour un capteur 1,5X, le coin extrême est à 14,2 mm, le bord à 11,9 mm.
Voir le tutoriel sur les tailles de capteurs pour plus de détails.

Les différentes lignes peuvent sembler écrasantes ; l'astuce est de les examiner individuellement. Chaque ligne représente une MTF sous des conditions distinctes. Par exemple, une ligne peut représenter la MTF à f/4, une autre à f/8. Le défi principal est de comprendre ce que chaque ligne signifie.

Chaque ligne a trois styles : épaisseur, couleur, type. Voici leur signification :

Épaisseur :	Épaisse → 10 PP/mm - contraste à petite échelle Fine → 30 PP/mm - résolution / détails fins
Couleur :	Bleu → Ouverture f/8,0 Noir → Ouverture maximale
Type :	Pointillés → Méridionales (concentriques) Trait plein → Sagittales (radiales)

Une ligne peut combiner n'importe quel style, donnant 8 types de courbes. Par exemple : épaisse, bleue, pointillée = MTF des méridionales 10 PP/mm à f/8,0.

Lignes noires. Pertinentes en basse lumière, pour figer le mouvement ou obtenir une faible profondeur de champ. Leur MTF est quasi toujours le pire scénario (sauf à utiliser des ouvertures inhabituellement petites).

Dans l'exemple, les lignes noires ne permettent pas une comparaison équitable, car l'ouverture maximale diffère (f/2,8 sur le zoom vs f/1,4 sur la fixe). C'est pourquoi les lignes noires semblent pires pour la fixe. Pourtant, malgré ce handicap, elle s'en tire admirablement — surtout à 10 PP/mm au centre et 30 PP/mm vers les bords. Il est fort probable que la fixe surpasse le zoom à f/2,8, mais on ne peut l'affirmer uniquement sur ces graphiques.

Lignes bleues. Pertinentes pour le paysage, ou quand on maximise profondeur de champ et netteté. Elles sont plus utiles pour comparer car toujours à la même ouverture : f/8,0.

Dans l'exemple, la fixe a une meilleure MTF à toutes les positions, pour détails fins et gros (30 et 10 PP/mm). Son avantage est encore plus marqué vers les bords.

Lignes épaisses vs fines. Les épaisses décrivent le « punch » ou contraste à petite échelle ; les fines décrivent les détails fins ou résolution. Les épaisses sont souvent prioritaires car des valeurs élevées donnent un aspect plus tridimensionnel, similaire à l'amélioration de contraste local.

Dans l'exemple, les deux objectifs ont un contraste similaire à f/8,0, la fixe étant légèrement meilleure. Le zoom perd à peine du contraste à pleine ouverture vs f/8,0. La fixe en perd plus en passant de f/8,0 à f/1,4, mais l'écart d'ouverture est bien plus grand (f/1,4-f/8,0 vs f/2,8-f/8,0).

Astigmatisme : lignes sagittales vs méridionales

Pointillés vs trait plein. Pourquoi montrer la MTF pour les deux types de lignes ? Au centre, elles sont identiques. Mais plus on s'éloigne, elles divergent. Quand les lignes pointillées et pleines se séparent, le flou n'est pas égal dans toutes les directions. Cet artefact réducteur de qualité s'appelle astigmatisme, illustré ci-dessous :

Sélectionner type d'aberration :

Astigmatisme : MTF en S > M

Astigmatisme : MTF en M > S

Pas d'astigmatisme : MTF en M = S

Survolez les étiquettes pour voir l'effet.
S = lignes sagittales, M = lignes méridionales
Note : Techniquement, S aura une MTF légèrement meilleure car plus proche du centre ; ici on suppose M et S à positions similaires.

Quand MTF en S > M, les objets sont flous principalement le long des lignes rayonnant depuis le centre. Dans l'exemple, les points blancs semblent s'étirer vers l'extérieur, comme un flou de bougé. Inversement, le flou est circulaire quand MTF en M > S. Beaucoup de lecteurs portent peut-être des lunettes corrigeant un astigmatisme...

Note technique : Avec les grand-angles, les lignes M ont plus souvent une MTF inférieure aux lignes S, partly parce qu'ils essaient de préserver une projection rectiligne. Plus l'angle de champ s'élargit, plus les sujets périphériques s'étirent/distordent dans les directions radiales. Un grand-angle avec distorsion en barillet marquée peut avoir une meilleure MTF car les objets périphériques sont moins étirés. Mais c'est généralement inacceptable en photo d'architecture.

Dans les graphiques MTF du zoom vs fixe Canon, les deux montrent un astigmatisme prononcé aux bords extrêmes. Mais avec la fixe, quelque chose d'intéressant se produit : le type d'astigmatisme s'inverse entre f/1,4 et f/8,0. À f/8,0, le flou est principalement radial (fréquent). À f/1,4, il est principalement circulaire (rare).

Qu'est-ce que l'astigmatisme pour vos photos ? La plus grande implication, outre l'apparence unique, est que les outils de netteté standard peuvent ne pas fonctionner comme prévu. Ils supposent un flou égal dans toutes les directions, risquant de sur-accentuer certains contours tout en laissant d'autres flous. L'astigmatisme peut aussi poser problème avec les étoiles ou sources ponctuelles, l'asymétrie du flou devenant plus visible.

MTF et ouverture : trouver le « sweet spot » d'un objectif

La MTF d'un objectif augmente généralement pour des ouvertures de plus en plus fermées, atteint un maximum pour des ouvertures intermédiaires, puis redescend pour les très petites ouvertures. La figure ci-dessous montre le MTF-50 pour diverses ouvertures sur un objectif de haute qualité :

L'ouverture correspondant à la MTF maximale est le « sweet spot » de l'objectif, où les images ont généralement la meilleure netteté et le meilleur contraste. Sur plein format ou APS-C, ce sweet spot se situe généralement entre f/8,0 et f/16, selon l'objectif. Sa position est indépendante du nombre de mégapixels.

Notes techniques :

• Aux grandes ouvertures, résolution et contraste sont limités par les aberrations optiques.
  Une aberration est quand une conception imparfaite empêche une source ponctuelle de converger en un point sur le capteur.
• Aux petites ouvertures, résolution et contraste sont limités par la diffraction.
  Contrairement aux aberrations, la diffraction est une limite physique fondamentale due à la diffusion de la lumière, pas un défaut de conception.
• Les objectifs haute et basse qualité sont donc très similaires aux petites ouvertures
  (f/16-32 sur plein format ou APS-C).
• Les grandes ouvertures sont où les objectifs haut de gamme se démarquent vraiment, car matériaux et ingénierie comptent davantage. Un objectif parfait n'aurait même pas de « sweet spot » ; l'optimum serait pleine ouverture.

Cependant, ne concluez pas que l'ouverture optimale est indépendante du sujet photographié. Le sweet spot au centre peut ne pas correspondre à celui des bords et coins, qui nécessitent souvent une ouverture encore plus fermée. De plus, tout cela suppose une mise au point parfaite ; les sujets hors profondeur de champ gagneront en netteté même au-delà du sweet spot.

Comparer différents appareils et marques d'objectifs

Un gros problème avec la MTF est qu'elle n'est pas standardisée. Comparer des graphiques MTF de marques différentes peut être difficile, voire impossible. Par exemple, Canon et Nikon ne peuvent être comparés directement : Canon utilise des calculs théoriques, Nikon des mesures.

Même en réalisant ses propres tests MTF, on rencontre des problèmes. Un graphique MTF typique montre la MTF nette du système optique complet — objectif, capteur, développement RAW, netteté et post-traitement — et non la MTF de l'objectif seul. Les mesures varient donc selon l'appareil utilisé ou le logiciel de développement RAW. Il n'est pratique de comparer que des graphiques MTF obtenus avec des méthodologies identiques.

Capteurs APS-C vs Plein format. Il faut être prudent en comparant des graphiques MTF entre capteurs de tailles différentes. Par exemple, une courbe MTF à 30 PP/mm sur plein format n'est pas équivalente à 30 PP/mm sur un capteur 1,6X. Le capteur APS-C devrait montrer une courbe à 48 PP/mm pour une comparaison équitable, car il est plus agrandi pour un tirage de même taille.

La diversité des tailles de capteurs a poussé certains à exprimer la fréquence en lignes par hauteur d'image (PP/PH ou LL/PH) plutôt qu'en millimètres. Une fréquence de 1000 PP/PH a la même apparence à une taille de tirage donnée — quelle que soit la taille du capteur. On peut soupçonner que les fabricants continuent d'afficher des MTF à 10 et 30 PP/mm pour les objectifs APS-C (DX, EF-S, etc.) parce que cela flatte leurs graphiques.

Limites des graphiques MTF

Bien que les graphiques MTF soient des outils puissants pour décrire la qualité d'un objectif, ils ont de nombreuses limites. En fait, un graphique MTF ne dit rien sur :

• La qualité des couleurs et les aberrations chromatiques
• La distorsion d'image
• Le vignettage (chute de lumière vers les bords)
• La sensibilité au flare d'objectif

D'autres facteurs comme l'état de votre matériel et votre technique photographique ont souvent bien plus d'impact sur la qualité finale que de petites différences de MTF. Parmi ces facteurs réducteurs de qualité :

• Précision de la mise au point
• Bougé d'appareil
• Poussière sur le capteur (voir tutoriel nettoyage capteur)
• Micro-rayures, humidité, traces de doigts ou autres dépôts sur l'objectif

Plus important encore, même si les graphiques MTF sont des outils sophistiqués et descriptifs — avec beaucoup de science derrière — rien ne vaut l'inspection visuelle d'une image à l'écran ou sur tirage. Après tout, les images sont faites pour être regardées, c'est ce qui compte au final. Il est souvent difficile de discerner si une image sera meilleure sur un autre objectif en se basant sur la MTF, car de nombreux facteurs entrent en compétition : contraste, résolution, astigmatisme, ouverture, distorsion, etc. Un objectif est rarement supérieur sur tous ces aspects simultanément. Si vous ne voyez pas de différence entre des prises de vue avec différents objectifs en situations similaires, les écarts de MTF n'ont probablement pas d'importance.

Enfin, même si la MTF d'un objectif est effectivement moins bonne qu'une autre, la netteté et l'amélioration du contraste local peuvent souvent rendre cet inconvénient imperceptible sur un tirage — tant que la différence de qualité originale n'est pas trop grande.