Les fausses “équivalences” de focales plein format vs. APS

Résumé

Les facteurs de conversion de focales entre les formats 35 mm (plein format) et APS des capteurs numériques entraînent toutes sortes de confusion entre les équivalences optiques des différentes longueurs focales. Nous allons montrer ici quelles sont les limites de ces prétendues équivalences, sur le plan optique.

Méta-données

aurelien, A. (2018, 19 avril). Les fausses “équivalences” de focales plein format vs. APS [Article de blog]. Récupéré depuis : https://photo.aurelienpierre.com/les-fausses-equivalences-de-focales-plein-format-vs-aps/. Mis en ligne le 10 janvier 2015.

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Sommaire

Article

Les réflexs numériques actuels se déclinent en 2 gammes de taille de capteur :

  • les plein format (full frame), 36x24mm, équipant les boîtiers semi-pro et pro
  • les APS (C ou H), 25x16mm, équipant les boîtiers plus modestes d’entrée et de milieu de gamme.

S’il est entendu que les capteurs les plus gros sont les meilleurs (plus sensibles à la lumière, à la couleur, et moins sujets au bruit chromatique ou de luminance), on entend souvent de grosses bêtises quant aux équivalence de focales sur les objectifs. Ainsi, en APS-C, il suffirait de multiplier la focale d’un objectif par 1,5 pour obtenir son “équivalent plein format”. Nous allons voir que ceci est partiellement vrai, donc partiellement faux.

1. L’angle de champ

Soit l’image ci-dessous, présentant un capteur de diagonale d, recevant l’image d’une scène contenue dans le grand cadre rectangle formée par une lentille.

Fig. 1 : Objet, dispositif optique, image formée et angle de champ du système optique

Tout ce qui se trouve à l’extérieur du grand cadre ne sera pas vu par le capteur car l’image sera formée à l’extérieur de ses limites. On mesure donc la largeur apparente du cadre non pas par une longueur (ce qui n’aurait pas de sens car il suffirait de reculer de 2 pas pour que cette longueur change) mais par l’angle alpha entre deux sommets opposés du cadre (qui lui, est une constante du système optique, dépendant uniquement de sa longueur focale). Ceci est l’angle de champ. Mathématiquement, cet angle est calculé par la formule suivante :

[latex s=1 bg=FCFCFC] \alpha=2\arctan\left(\dfrac{d}{2f}\right)[/latex]

Si maintenant, je considère un capteur 1,5 fois plus grand avec une longueur focale 1,5 fois plus grande, je multiplie en haut et en bas par 1,5 dans la fraction, ce qui se simplifie :

[latex s=1 bg=FCFCFC]2\arctan\left(\dfrac{1.5d}{2*1.5f}\right)=2\arctan\left(\dfrac{d}{2f}\right)=\alpha[/latex]

Donc oui, les mathématiques valident que l’angle de champ est similaire dans ce cas là. Concrètement, ceci signifie que si le photographe ne bouge pas, qu’il utilise un plein format avec un objectif de 50mm ou un APS-C avec un objectif de 35mm, son cadrage ne changera pas.

Alors, 50mm est équivalent à 35mm ?

2. La profondeur de champ

La profondeur de champ est aussi appelée zone de netteté : lorsqu’on la réduit, on produit le fameux bokeh (flou d’arrière plan) en ouvrant le diaphragme de l’objectif autant que possible.

Fig. 4 : À f/1.8, seules les branches à gauches sont nettes.

En effet, à diaphragme fortement ouvert, on sort des conditions de Gauss qui permettent de formuler l’hypothèse que tout point objet a pour image un autre point (et non une tâche floue). Comparons alors la profondeur de champ du D5300 (APS-C, 24 Mpx) avec un 35mm et celle du D610 (Plein format, 24 Mpx) avec un 50mm (captures écran de l’application HyperFocal Pro) :

À angle de champ égal, avec une mise au point à 2 m, à f/1.4, en plein format la zone de netteté mesure 12,7 cm, contre 17,1 cm en APS-C. Il faudrait diaphragmer le plein format à f/2 pour obtenir environ la même profondeur de champ (0,18 cm). Le bokeh est donc plus marqué en plein format, la profondeur de champ est plus faible.

De plus, la distance hyperfocale est 15 m plus proche à 35 mm soit 15 m de profondeur de champ supplémentaire, à cadrage égal. Pour le paysage, à f/8, l’hyperfocale est de 8.2 m en APS à 35 mm contre 10.9 m en plein format à 50 mm, soit presque 3 m de profondeur de champ supplémentaire.

Le changement de focale n’influe pas seulement sur la longueur de la zone de netteté, mais également sur la texture du bokeh, comme le montre cette image tirée du site Hanging Pixels :

Comparaison 50mm/APS vs. 85mm/Plein format
Fig. 7 : Comparaison 50mm/APS vs. 85mm/Plein format

On voit que la combinaison 85mm/Full Frame offre un flou d’arrière plan beaucoup plus crémeux à cadrage et mise au point identiques que la combinaison 50mm/APS-H alors même que le diaphragme est plus ouvert sur l’APS. Si l’on suppose que l’image a été faite à une distance de mise au point de 3 m, la profondeur de champ du couple 85 mm/FF à f/1.8 est 12,4 cm, contre 17,9 cm pour le couple 50 mm/APS-H à f/1.4.

En effet, on sait de façon empirique que plus la focale de l’objectif est grande, plus le flou d’arrière plan est marqué. À cadrage similaire, on a donc intérêt à utiliser la plus longue focale disponible pour flouter l’arrière plan, en portrait par exemple (et la plus courte focale possible pour du paysage, au contraire). Donc, même si le cadrage reste identique, l’apparence générale de l’image n’est pas la même en raison d’une profondeur de champ différente, qui dépend de la longueur focale réelle de l’objectif. Un 35mm/APS n’est donc pas équivalent à un 50mm/FF.

3. La netteté de l’optique

La netteté optique est la capacité à restituer des détails fins, sans confusion, et avec un fort contraste. La mesure de netteté est réalisée par les laboratoires DXO en en se basant notamment sur la mesure de la fonction de transfert de la modulation, sur des bandes de fréquence variables :

Fig. 7 : Mesure de MTF – © DXOMark.com

DXO ramène alors cette mesure à une résolution équivalente en P-Mipx (mégapixels perceptuels), qui permet de rendre compte de la netteté d’une combinaison optique/capteur, par une résolution perceptuelle en Mpx. La différence entre la résolution perceptuelle de la combinaison capteur/optique et la résolution réelle du capteur permet de quantifier la perte optique dûe aux défaut du système (détails en Anglais). Si l’on compare l’ensemble des objectifs de 35mm et de 50mm, sur le D610 (plein format de 24 Mpx) et sur le D5300 (APS-C de 24Mpx), on obtient ceci d’après DXOMark :

APS-CPlein format
Netteté perceptuelle moyenne
35mm14,6 P-Mpix17,3 P-Mpix
50mm14,3 P-Mpix15,8 P-Mpix

 

APS-CPlein format
Perte moyenne en résolution
35mm9,4 Mpix6,7 Mpix
50mm9,7 Mpix8,2 Mpix

On insiste ici sur le fait que les deux appareils ont la même résolution de capteur, sont fabriqués par la même marque au même moment, et ne sont donc différenciés (sur le plan optique) que par la taille de leur capteur.

À 35 mm, on obtient donc une moyenne de 17,3 P-Mpix pour le plein format, et de 14,6 P-Mpix pour l’APS-C. Le plein format subit donc une perte optique en netteté équivalente à 6,7 Mpx, contre presque 9,4 Mpx pour l’APS-C. Si l’on conserve des formules optiques permettant un cadrage équivalent (APS-C/35mm et Plein Format/50mm), on gagne en moyenne 1,2 P-Mpix de netteté sur le plein format.

Ceci pourrait être attribué aux espaces entre photosites du capteur, qui sont plus réduits, en proportion, sur des grands capteurs et qui posent donc moins de problèmes d’interpolation lors du dématriçage RAW, mais aussi simplement aux formules optiques des objectifs optimisées pour le 35 mm et dont la résolution optique est donc « diluée » en APS-C, puisque l’image qu’ils forment dépasse les dimensions du capteur. À l’inverse, des optiques spéciales APS permettent de concentrer la lumière sur la zone du capteur, et évitent ce phénomène de dilution.

Ceci signifie qu’une optique plein-format sera utilisée à son plein potentiel sur un capteur plein format, et que l’image sera plus nette à cadrage égal en plein format.

Conclusion

Si l’angle de champ, donc le cadrage, est équivalent entre le plein format et l’APS en multipliant la longueur focale de l’objectif par 1,5 (chez Nikon) ou 1,6 (chez Canon), les autres propriétés optiques dépendent de la longueur focale réelle utilisée, sans lien avec le facteur d’agrandissement du capteur, et changeront donc suivant la taille du capteur à cadrage similaire. Le plein format sera plus adapté aux faibles profondeurs de champ que le portrait requiert, tandis que les formats APS seront plus adaptés aux grandes profondeurs de champ recherchées en paysage (et ça tombe bien, car les boîtiers APS sont plus petits et plus faciles à transporter).

Cependant, le plein format sera plus net et permettra d’exploiter à fond les qualités des objectifs : les focales standards (50, 85 mm) délivrent tout leur potentiel de netteté et les grand-angles (20, 35 mm) sont alors de vrais grand-angles, sans avoir besoin de recourir à des focales exagérément courtes (8, 12 mm) pour APS qui déforment l’image jusqu’à la caricature (fisheye).

Le coefficient multiplicateur de l’APS permet certes de transformer une focale standard en petit télé-objectif à peu de frais, mais cela implique toujours une perte de netteté : tout se paie et n’est qu’affaire de compromis.

En général, plus le support photosensible est grand, plus l’image est claire, définie, et plus les dégradés sont progressifs et précis. Aucune surprise ici : plus la surface photosensible est large, plus elle est sensible… Les capteurs plein format offrent ainsi une montée en sensibilité (ISO) moins bruitée que les APS, une meilleure sensibilité à la couleur et une meilleure plage dynamique.

Les appareils plein format ont également un viseur plus large et plus lumineux, à considérer si vous utilisez des objectifs à mise au point manuelle ou que votre vue baisse. Cependant, un boîtier plein format (sans objectif et avec batterie) pèse 700 g à 1 kg contre 450 à 700 g pour un boîtier APS. Voir la comparaison D7200 vs D810 (boîtiers à châssis magnésium) et D5500 vs D750 (boîtiers à châssis monocoque en composite).

Lequel est le mieux ? Celui que vous pouvez vous payer… L’intérêt du format APS est son coût inférieur et sa portabilité. La différence de qualité d’image n’est pas si grande entre APS et plein format pour un tarif 2 à 3 fois plus élevé en plein format, le supplément de qualité n’est donc pas proportionnel au supplément de prix. Le compromis sur la qualité d’image est alors acceptable si la priorité est la portabilité de l’appareil (en vacances, en photo de rue, etc.). Cependant, la qualité des transitions tonales et la supplément de résolution optique permis par les capteur les plus larges sont des suppléments appréciables en photo d’art.

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2018-04-19T23:07:42+02:0010 janvier 2015|Catégories : Astuces|Mots-clés : , , , |7 Commentaires

À propos de l'auteur :

Développeur d'outils logiciels de traitement d'image pour darktable. Spécialiste calcul et modélisation thermodynamique chez Cellier Domesticus. Photographe. Pianiste. Développeur spécialisé en Python pour le calcul et la modélisation. Auteur de bouquins et de blog sur les sciences et la technologie. Expériences précédentes dans la fonction publique territoriale, les moteurs électriques industriels, les voitures solaires en fibre de carbone et le non-sens académique (maths sup, DUT).

7 Comments

  1. Nandy 22 octobre 2016 à 9 h 33 min - Répondre

    A priori une explication complète et honnête du phénomène ‘crop factor’, qui peut se ramener finalement à comment bien choisir son capteur en toute connaissance de cause.
    Mais toutefois un usager régulier d’APS-c n’a vraiment que faire de cette sempiternelle information de conversion x1,5 – x1,6 :
    – et que je te donne les 2 focales ‘équivalentes’ à chaque article ou vente d’objectifs;
    – et que je donne une focale qui n’est pas la vraie focale optique, car je sais plus de quoi je parle;
    – et que j’insiste obstinément, et souvent SANS MOTIF réel, pour tout ramener au ‘vieux’ plein format…

    On a maintenant tous bien l’habitude de ses propres focales sur la taille d’un capteur APS-c. Format qui je le rappelle a tendance à devenir le nouveau standard.
    D’ailleurs, autre preuve de la stupidité de ces conversions : le pro utilisant le 24×36, a de toutes façons compris depuis longtemps la différence de zoom entre ses 2 capteurs. Et enfin cela prête parfois à confusion (pro comme débutants) : quelle est la focale réelle si un article/annonce ne le préconise pas ou se trompe… c’est déjà arrivé… et chez des ‘grands’.

    • Aurélien 22 octobre 2016 à 19 h 14 min - Répondre

      Que le format APS-C ait tendance à devenir le nouveau standard n’a rien d’évident : dans les compacts, les micro 4/3 ont été quasiment tous supplantés par les APC et Sony propose même maintenant des point & shoot à capteur plein format dont la qualité sort du commun (comme le prix). Dans les réflexs, les prix et les poids du plein format descendent progressivement. Les tailles de capteurs ont tendance à augmenter avec les années, et à mon avis l’APS n’est que l’étape intermédiaire avant la généralisation des capteurs larges. Ceci va dans le sens des analyses de performances optiques : plus le capteur est larqe, meilleure est la définition. Les seuls obstacles sont le prix et l’encombrement.

      Surtout que le photo-smartphone (avec des modèles qui ouvrent à f/2 et montent à 1600 ISO) risque de chambouler le marché du point & shoot à petit capteur. Dans ce contexte, on peut imaginer que les « vrais appareils photos » vont devoir justifier leur pertinence en se positionnant sur la gamme inaccessible aux smartphones : celle des sensibilités dopées et des autofocus ultra précis.

  2. Gilles 24 novembre 2016 à 4 h 23 min - Répondre

    Très bon article, cependant on regrettera la conclusion qui laisse entendre que l’on doit se prendre un FF si on le peut, à la place d’un apsc. Il reste pour moi deux situations ou il vaudrait mirux garder son apsc : la macrophotographie et le sport.

    • Aurélien 24 novembre 2016 à 8 h 42 min - Répondre

      cependant on regrettera la conclusion qui laisse entendre que l’on doit se prendre un FF si on le peut

      Pourquoi ? La conclusion découle de l’analyse de performances optiques. Elle n’est pas là pour satisfaire les uns ou les autres, juste pour être une interprétation technique de faits techniques.

  3. Vincent 24 novembre 2016 à 22 h 51 min - Répondre

    Super analyse technique.

    Les miror less APS C sont aussi merveilleux pour un usage nomade, sportif avec des vitesses d’obturation et de rafale incroyables à ces prix.

    Il faut toujours rapporter un matériel à son usage.
    Techniquement les plein format resteront supérieurs. Mais lorsqu’on explore on sera ravi de gagner 500 grammes sur l’épaule.
    Pour du shooting studio, ou extérieur avec trépied et compagnie, le plein format est un must et le poids un avantage.
    Pour du portrait de rue, de l’exploration etc… On appréciera le format plus compact des APS C, la légèreté avec des performances bien suffisantes, même pour un usage pro.

    Bref, l’analyse technique donne une supériorité au plein format et dans la pratique, à chacun de trouver le meilleur rapport confort usage.

    Rien n’empêche de faire des clichés merveilleux, de les imprimer et d’exposer en APS C.
    Le plein format n’est pas une nécessité, mais plutôt un plaisir personnel.
    La photo reste un support artistique, et étant donné les qualités techniques des reflex/hybrides aujourd’hui, un résultat magnifique n’est pas affaire de matériel. La différence se fait entre l’oeil de l’utilisateur et l’index, quelquesoit le format ou ce dernier impose sa pression !

  4. Julie 31 juillet 2017 à 4 h 25 min - Répondre

    Bonjour et merci pour cette analyse fort bien construite 🙂
    Ayant un APS-C et quelques 24×36 et moyen format argentiques, je me rends bien compte des limites qu’il y a à parler d’équivalences, hélas c’est un discours encore très présent… Notamment envers les photographes novices, à qui l’on “explique” que “c’est un 50mm, c’est la même chose”, mais sans parler de l’angle de champ, ni même énoncer le fait que mettre une optique plein format sur un capteur APS-C prive le capteur d’une quantité de lumière non négligeable…

  5. Franck 11 août 2017 à 13 h 11 min - Répondre

    De plus avec l’évolution du matériel, un aps c de maintenant vaut largement un plein format d’avant alors qu’à l’époque ce plein format était le must, pourtant on voit toujours les mêmes photos.
    L’article est toutefois bien éclairé techniquement

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