Quatre pixels n'en font qu'un : pourquoi la nuit douze mégapixels battent cinquante

Il y a dans l’application photo un interrupteur qui promet le quadruple. Laissé tranquille, le téléphone vous rend douze mégapixels ; une pression sur «50 MP» et il en rend cinquante, dans des fichiers quatre fois plus lourds. De jour, le choix pèse peu. La nuit, il décide de la photo, et presque toujours en mal, car le capteur n’a gagné aucun pixel. Il a cessé de les additionner, et cette addition était le meilleur service qu’il vous rendait.

Quatre photosites sous un même filtre coloré

La mosaïque de Bayer des manuels attribue un filtre coloré à chaque photosite et les alterne selon un motif fixe. Les capteurs à très haute résolution des téléphones ont changé la donne : les filtres sont regroupés en carrés de deux sur deux, quatre photosites pour une seule couleur. Samsung appelle Tetrapixel sa version de l’affaire, et la fiche publique de l’ISOCELL JN1 est assez explicite pour qu’on la cite. Cinquante mégapixels de 0,64 micromètre dans un format de 1/2,76 de pouce. Quatre pixels voisins qui travaillent comme un seul pixel de 1,28 micromètre et livrent une image de 12,5 mégapixels avec moins de bruit. La pleine résolution, ajoute la même fiche, sort d’un algorithme de re-mosaic qui réorganise les pixels, et il s’en charge quand la lumière abonde.

Ce dernier point mérite une seconde lecture. Le mode natif de ces capteurs est le mode additionné : la pleine résolution est une reconstruction logicielle d’un motif de Bayer qui n’existe pas physiquement sous les filtres. Sur une scène diurne gorgée de signal, la reconstruction fait du bon travail. Sur un ciel nocturne, elle travaille sur des données maigres, et ce qu’elle invente n’est pas du détail. C’est une hypothèse.

Le calcul du bruit, fait honnêtement

Quatre photosites qui n’en font qu’un récoltent quatre fois plus de photons. Le bruit de comptage croît comme la racine carrée, donc le rapport signal sur bruit double : deux diaphragmes pleins, offerts, sans toucher ni à la pose ni au gain. C’est l’arithmétique qui fait marcher l’empilement, appliquée dans la puce plutôt que dans le logiciel.

Objection légitime : je photographie à cinquante mégapixels et je réduis à douze et demi à la maison, tranquillement. Là où le bruit de photons commande, l’objection tient et les deux chemins arrivent à égalité. Le compte change dès qu’entre en scène le bruit de lecture, celui que l’électronique ajoute au moment de mesurer la charge. Si les quatre photosites sont additionnés sous forme de charge avant d’être lus, vous payez ce bruit une seule fois sur un signal quadruplé. Lisez-les séparément puis moyennez : vous le payez quatre fois avant de le diviser par deux. Le premier chemin est deux fois meilleur que le second sur le bruit de lecture, et le ciel nocturne est précisément l’endroit où le bruit de lecture compte, puisque le signal par pixel y est misérable.

Restons précis sur ce que l’on sait vraiment. Qu’un téléphone donné additionne la charge dans le pixel ou moyenne des valeurs déjà numérisées dans le processeur d’image, les constructeurs le déclarent rarement. La différence existe, elle se mesure, et elle fait partie des rares choses que vous pouvez trancher vous-même avec deux séries de poses. En attendant, le mode additionné reste celui pour lequel le capteur a été conçu dans le noir.

L’objectif n’a pas ce détail à donner

Admettons que vous vouliez payer ce supplément de détail. Encore faut-il qu’il vienne de quelque part, et l’objectif d’un téléphone a une limite physique qu’aucun capteur ne contourne. Une optique à f/1.8, valeur courante pour une caméra principale, produit une tache d’Airy d’environ 2,4 micromètres de diamètre à 550 nanomètres, longueur d’onde à laquelle l’œil travaille le mieux et choix raisonnable pour faire les comptes. Sur une grille de 0,64 micromètre, cette tache s’étale sur près de quatre pixels de diamètre. Sur la grille additionnée de 1,28, elle en couvre moins de deux, ce qui correspond à peu près au bon échantillonnage : assez pour ne rien jeter, pas au point de décrire du vide avec quatre décimales.

La diffraction n’est qu’un début. Ajoutez les aberrations en bord de champ, généreuses sur tout grand-angle de téléphone, et ajoutez le mouvement. Sur un trépied fixe, les étoiles s’allongent au bout de quelques secondes, et leur image est déjà plus large que la tache théorique avant même que le capteur ne l’échantillonne. La durée dont vous disposez dépend de la déclinaison et de la focale, et ces chiffres sont dans un autre article. La pleine résolution promet de résoudre des structures plus fines que ce que l’optique et la mécanique vous livrent.

Ce que déclare l’API, et ce que l’application vous transmet

Depuis Android 12, la plateforme traite ces capteurs comme une catégorie à part : un mode dit de résolution maximale existe à côté du mode par défaut, et la documentation de l’appareil photo prévoit un indicateur, SENSOR_RAW_BINNING_FACTOR_USED, qui dit si le tampon RAW reçu a été additionné ou non. Il existe parce qu’il sert. Sans lui, une application n’a aucun moyen de savoir ce qu’elle tient.

Les conséquences pratiques sont très concrètes. Un RAW en pleine résolution peut être le capteur lu en mode maximal, ou le produit du re-mosaic, et les deux objets ne se comportent pas de la même façon à l’empilement. L’inverse se rencontre aussi : certains téléphones enregistrent un DNG «de 50 MP» dont les détails fins ressemblent à s’y méprendre à un 12,5 interpolé. Si votre application de prise de vue expose l’indicateur, regardez-le. Sinon, reste la vieille habitude, celle de vérifier ce qu’il y a vraiment dans un fichier plutôt que de croire l’étiquette.

L’addition se paie en aval

Quatre fois plus de pixels, c’est quatre fois plus de données à écrire, à lire, à aligner et à sommer. Sur une session de trois cents poses, la différence n’a rien de théorique : c’est l’espace libre du téléphone, ce sont les minutes pendant lesquelles le processeur chauffe alors que vous voudriez continuer, et c’est la température du capteur qui monte au moment précis où vous cherchez à contenir le bruit thermique. L’alignement facture son propre supplément, puisqu’il travaille par reconnaissance d’étoiles, et les étoiles faibles d’une image en pleine résolution sont bien plus proches du fond.

Quand la pleine résolution la mérite

Deux cas, et il est honnête de les nommer. La Lune envoie des photons en quantité indécente et vit dans un régime où le bruit ne décide de rien et la résolution de tout : si votre téléphone lit vraiment le capteur en mode maximal, un cratère de plus peut survivre, et l’essai vaut la peine. Le Soleil derrière un filtre certifié appartient à la même catégorie pour les mêmes raisons. Partout ailleurs, ciel profond, conjonctions, champs larges, paysages nocturnes, le calcul s’inverse et les mégapixels deviennent un coût.

Une seule soirée, bien employée, clôt le débat. Même cible, même trépied, deux séries de cinquante poses rapprochées, l’une en mode normal, l’autre en pleine résolution. Réduisez ensuite la seconde série à la taille de la première et regardez trois choses : le grain du fond de ciel à la même échelle d’affichage, la largeur à mi-hauteur d’une étoile isolée, le nombre d’étoiles faibles qui survivent à l’étirement. Le verdict vaut pour votre téléphone et pour aucun autre, ce qui est exactement le genre de vérité utile sur le terrain.

Le gros chiffre de la fiche technique a été écrit pour le magasin. La nuit, le capteur sait déjà quoi faire tout seul.