Nokia Lumia 1020 PureView – Le retour de l’enfant prodigue ?


Par Fneuf,
 Le 16/07/13

41 11 juillet de l’An de Grâce 2013, 41h41min GMT+41.

A l’unisson, l’ensemble des fabricants de smartphones se réveillent d’un étrange songe. Un simple dialogue vient de les terrifier. Les finlandais réitèrent. L’insupportable, l’énigmatique chiffre leur est à nouveau apparu :

  • « Quel est le [...] de la vie, de l’univers ?
  • 41 !
  • 41 ?
  • Oui ! 41 M-é-g-a-P-i-x-e-l-s. »

Douglas Adams s’était donc trompé. La preuve par 9 après une courte pause.

 

Le concept PureView

Chez Nokia le badge PureView représente la promesse d’une expérience photo/vidéo de premier ordre. En 2012 le constructeur finlandais nous a déjà proposé deux itérations autour de ce thème :

  • PureView Phase 1, étrenné par le 808 PureView : recherche les avantages du zoom (versatilité du cadrage) sans ses inconvénients (imperfections optiques, encombrement, fragilité, bruit, lenteur…),
  • PureView Phase 2, étrenné par le Lumia 920 : se propose d’optimiser la quantité de lumière reçue par l’appareil, via l’intégration notable de la stabilisation optique.

Dans cet arbre généalogique, le Lumia 1020 réalise la synthèse des pistes précédemment explorées par Nokia. Il regroupe :

  • un nouvelle architecture de capteur d’une définition toujours aussi grandiloquente,
  • des algorithmes de sur-échantillonnage afin d’émuler un zoom,
  • une optique très lumineuse, stabilisée,
  • un flash Xénon,
  • des microphones à haute amplitude de capture,
  • le tout en minimisant la taille du module optique.

Mais il n’est pas un simple croisement du capteur du 808 PureView et de la stabilisation du Lumia 920. C’est un nouvel appareil dont la caméra ne partage aucun composant avec ses 2 prédécesseurs. Voyons ensemble pourquoi.

 

Les Spécifications

Intéressons nous dans un premier temps à la fiche technique « imagerie » de cet appareil :

  • Divers
    • Flash : Xenon à condensateurs plats (3m de portée annoncée),
    • LED : aide à la mise au point et mode torche pour la vidéo,
  • Optique
    • Modèle : Carl Zeiss Tessar
    • Construction : 6 lentilles fixes asphériques (5 plastiques, 1 en verre),
    • Ouverture : f/2.2,
    • Longueur Focale : 6,2 mm (équivalence 35 mm : 25 mm [en 16:9], 27 mm [en 4:3]),
    • Plage de mise au point : 15 cm à l’infini,
    • Durée d’exposition : 1/16000 s (seuls quelques rares appareils reflexs autorisent une telle vitesse) à 4 s (manuellement contrôlable),
    • Obturateur :
      • électronique (rolling shutter) jusqu’à 1/500 s,
      • mécanique à partir de 1/500 s et au-dessus,
    • Zoom théorique en équivalence 35mm :
      • En photo : 25-69 mm [en 16:9] et 27-74 mm [en 4:3] soit environ 2,7x,
      • En vidéo : 25-100 mm (soit 4x) en 1080p et 25-150 mm (soit 6x) en 720p,
  • Capteur
    • Technologie : CMOS BSI,
    • Sensibilité : 100 à 3200 ISO,
    • Format : 1/1.5”,
    • Surface : 58,08 mm² (8,8 x 6,6 mm soit environ 11 mm de diagonale),
    • Définition
      • Totale : 7712 x 5360 (soit environ 41,3 MegaPixels),
        • Taille réelle des photosites : 1,12 µm,
      • Utile maximale : 7136 x 5360 en 4:3 (soit environ 38,2 MegaPixels),
      • Standard (mode PureView) : 2592x 1936 en 4:3 (soit 5 MegaPixels),
        • Taille virtuelle des photosites dans ce mode : 3,09 µm (cf. plus bas dans l’article).

Le capteur

Commençons sans plus attendre par le chiffre qui cristallise toutes les attentes. Démystifions les 41 MégaPixels.

Sur-échantillonnage

Un capteur photo numérique est composé de millions de photosites, les éléments unitaires responsables de transformer la lumière reçue en un signal électrique. Normalement chacun de ces photosites représente un pixel de l’image capturée. Hors, si le Lumia 1020 propose une ahurissante définition de 41MP c’est en vue d’enregistrer des images de 5MP, le « condensé du meilleur ».

Chaque pixel qui compose l’image finale de 5MP est le résultat d’un savant algorithme se basant sur plus de 7 photosites (7,6 en théorie) physiquement adjacents. Au sein de cet assemblage, la lumière collectée par chaque photosite physique se retrouve additionnée à celle de ses voisins. C’est le sur-échantillonnage (on parle alors de binning).

En combinant de façon structurée au sein d’1 seul élément les informations de plusieurs photosites physiques, il se forme un nouveau découpage logique sur la surface du capteur. Des « photosites logiques » apparaissent, ici matérialisés par les frontières noires :

Illustration de l'organisation des photosites logiques à la surface du capteur.

Outre l’intérêt en terme de gestion de la lumière, la création de ces photosites logiques permet d’échapper à une aberration chromatique inhérente aux capteurs numériques, le « moiré ».

Les photosites ne reçoivent pas directement la lumière naturelle. La lumière qu’ils reçoivent est préalablement décomposée suivant le schéma « rouge, vert, bleu ». Plus concrètement chaque photosite capture une seule couleur. La véritable couleur de chaque pixel de l’image enregistrée est calculée par des algorithmes de dématriçage (une des sources d’apparition du moiré). Étape qui devient ici inutile, puisque les photosites virtuels créés par Nokia combinent statistiquement au moins 1 photosite rouge, 1 vert et 1 bleu pour chaque pixel final.

Zoom

Le zoom est la raison d’être initiale de ce capteur haute définition. Sachant que la photographie obtenue fait toujours 5 MégaPixels :

  • lorsque le zoom est inactif : chaque pixel est calculé à partir de 7 photosites adjacents sur le capteur,
  • lorsque le zoom est actif : l’appareil « zoome » sur les pixels du capteur jusqu’à la limite « 1 pixel de l’image finale est égal à 1 photosite du capteur ». La profusion de pixels fournie par le capteur est mise à profit pour pouvoir limiter l’image produite à une sous-partie du capteur.

Ce principe permet d’émuler un zoom optique de façon numérique. Il évite les défauts trouvés dans l’interpolation numérique (pratique qui consiste à utiliser un processeur pour imaginer artificiellement des détails dans une image), qu’on trouve dans la quasi totalité des appareils de prise de vue, sous le dénomination « zoom numérique / zoom digital ». Le résultat du zoom façon PureView est un résultat réel, non calculé.

Architecture

Le capteur du 1020 est de type CMOS BSI (pour Back-Side Illuminated). Ce n’est pas une nouveauté en soi, depuis plusieurs années d’autres constructeurs en font usage. Le principe de cette architecture est simple : la tringlerie électronique (responsable de l’alimentation et de la récupération des données des photosites) a été remisée au dos du capteur et ne vient plus perturber le trajet de la lumière vers les photosites (la couche bleue appelée « substrate » sur le schéma ci-dessous).

C’était le cas sur la première génération de capteur PureView, dont est équipé le 808, héritier de l’architecture FSI (pour Front-Side Illuminated) :

Comparaison des architectures de capteurs CMOS.

Cette nouvelle architecture possède un avantage de poids : maximiser la quantité de lumière reçue par les photosites. La lumière ne peut plus être en partie réfléchie ou masquée par les circuits électroniques auparavant positionnés entre la lentille et le photosite. Et c’est fondamental car, vous qui nous lisez régulièrement le savez désormais, toute quantité de lumière gagnée va faciliter l’élimination de l’ennemi : le bruit numérique. Ces pixels colorés, ce grain, qui surgissent de façon anarchique sur les images.

L’architecture BSI offre un meilleur « rendement lumineux par surface » dont Nokia a profité pour réduire la taille du capteur. C’est ce qui permet au 1020 d’être svelte, contrairement à son ancêtre. Les photosites de ce nouveau capteur sont d’une taille environ 20% inférieure à ceux du capteur Toshiba HES9 qui équipe le 808 :

Comparaison de la taille des photosites physiques et logiques du 808 et du 1020 à 38 et 5 MP.

Pour autant ce n’est pas parce que ce capteur est plus petit que celui du 808 qu’il en est un petit capteur. Il reste un monstre dans l’univers des smartphones, des appareils photo compacts et même experts. Il faut par exemple lorgner du côté d’un Fuji X10 pour retrouver une taille de capteur similaire.

L’architecture BSI apparait sur le papier simple et géniale, mais elle pose de nombreuses contraintes techniques (particulièrement en fabrication). De fait il est impossible de dire qu’un capteur est meilleur qu’un autre sous prétexte qu’il est BSI. Dans notre test, le premier appareil Nokia a avoir été équipé d’un capteur BSI (le Lumia 920) s’est d’ailleurs révélé décevant. Son capteur est propice à générer du bruit numérique.

Pour vous donner une petite idée du placement théorique du Lumia 1020 sur le marché de la photo voici une comparaison face à plusieurs smartphones concurrents et quelques véritables appareils photographiques :

Les photosites du 1020 face à la concurrence.

Le module optique
L’objectif

L’optique Carl Zeiss propose une ouverture de f/2.2. C’est un bon résultat pour un smartphone mais pas un record. Aujourd’hui des appareils tels que les HTC One/One+, Nokia Lumia 720 et Lenovo K900 se permettent de faire mieux, avec respectivement f2.0, f/1.9 et f/1.8.

La luminosité de l’optique est primordiale en photographie. Pour illustrer son importance il faut savoir qu’à taille constante, entre une optique qui dispose d’une ouverture de f/2 et une de f/2.8 la quantité de lumière transmise est divisée par 2… Par rapport au 808 et son optique f/2.4, la nouvelle optique du 1020 permettrait à son capteur de recevoir environ 30% plus de lumière pendant le même temps d’exposition.

Le smartphone profite d’une nouvelle formule optique en 6 éléments (inaugurée sur le tout récent Lumia 925) qui, d’après Nokia, améliore le piqué de l’objectif. Bien qu’aucune plainte ne soit formulable contre le piqué de l’objectif du 808, la définition du capteur est ici telle que toute amélioration du piqué est bonne à prendre. Cette nouvelle formule est à mettre en parallèle de l’ouverture : chaque lentille ajoutée dans une optique s’accompagne d’une perte de lumière. Or Zeiss est passé de 5 à 6 éléments tout en réussissant à améliorer l’ouverture (de f/2.4 à f./2.2). Ceci permet de souligner le travail d’optimisation global réalisé sur cet objectif.

La stabilisation

Illustration du principe, la réalité diffère.

Le Lumia 1020 profite d’une stabilisation optique. A la différence de la stabilisation numérique que vous retrouvez tristement couramment sur les smartphones, la stabilisation optique est un procédé mécanique.

C’est le bloc optique dans son ensemble (les 6 lentilles) qui va se décaler pour contrer les mouvements et vibrations de l’appareil. Les déplacements vont se faire sur 2 axes inscrits sur un plan parallèle au plan du capteur. Cette solution technique est appelée « Barrel Shift ».

Quel intérêt pour l’utilisateur ? En compensant une partie de vos mouvements, la stabilisation vous permet de laisser l’obturateur ouvert plus longtemps et capter plus de lumière sans que la photo obtenue ne soit floue.

Nokia annonce un gain d’environ 2IL avec cette solution. Ceci équivaut à la capacité à multiplier par 4 la quantité de lumière reçue (la quantité de lumière perçue double pour chaque IL gagné). C’est un peu comme si vous pouviez :

  • monter artificiellement la sensibilité 100 à 400 ISO sans voir de bruit apparaitre,
  • laisser l’obturateur ouvert 1/4s au lieu de 1/15s sans créer de flou.

La taille de l’objectif a nécessité son montage sur un roulement à billes pour faciliter son guidage, le travail des aimants qui assure sa stabilisation et sa longévité.

Traitement de l’image

Une des originalités techniques du 1020 face au 808 réside dans l’absence d’un pré-processeur d’image dédié.

Pour gérer le flux de données généré par le capteur, le 808 s’est vu équipé d’une puce Analog Devices AD5814, en charge de « prédigérer » cette masse de pixels avant leur passage dans le processeur d’image principal Broadcom. La solution technique utilisée pour le Lumia 1020 est ici différente.

C’est le SoC standard (abréviation anglaise pour « system on chip » ou « système sur puce » en français, une puce « tout-en-un » : processeur, GPU, RAM, etc y sont rassemblés) qui se charge de tout. Nokia a trouvé le moyen d’outrepasser la limite technique de 20 MégaPixels du Qualcomm SnapDragon S4 (ici en version MSM8960, très courante sur Windows Phone ) pour lui faire gérer le flux de 41 MégaPixels.

C’est une astuce, une petite prouesse en soi, mais nous pouvons nous demander si elle ne sera pas sans conséquences sur les capacités de l’appareil à prendre des photos en rafale ou plus simplement sa réactivité en usage photo/vidéo. Un point à vérifier lors des tests.

C’est peut être ici que se trouve cachée la raison du délai d’apparition du PureView Phase 1 sur Windows Phone. Nokia a du composer avec la plateforme technique figée par Microsoft et toutes les contraintes techniques liées.

 

Le résultat

Résumé des avantages apportés sur le papier par cette nouvelle génération de PureView :

  • Zoom : émuler un zoom optique,
    • Ouverture lumineuse constante sur l’intégralité de la plage du zoom. Là où les zooms traditionnels commencent souvent au mieux autour de f/2.8 en grand angle et finissent à plus de f/5.4 en position téléobjectif, le Lumia conserve son f/2.2. Sur toute l’amplitude de zoom (qui atteint environ 6x en capture 720p).
    • Réduction des déformations : la qualité d’une optique est toujours meilleure au centre que sur ses bords. Sur le Nokia, à « fond de zoom » le cadrage se fera sur la partie la plus performante des lentilles.
  • Haute qualité : produire des images de définition « standard », mais de meilleure qualité en profitant de la profusion de pixels pour suréchantillonner, améliorer le traitement du bruit numérique, …
    • réduction du bruit numérique :
      • 7 photosites envoient un signal 7 fois supérieur, ce qui va permettre d’augmenter le rapport signal/bruit. La « redondance » de données proches permet de filtrer efficacement le bruit présent,
      • il y a statistiquement peu de chance pour qu’une majorité des 7 photosites au sein d’un photosite logique soient atteints de bruit numérique,
    • réduction des aberrations chromatiques : réduction des effets de moirés via l’élimination de l’opération de dématriçage,
  • Souplesse de cadrage : pouvoir recadrer une image a posteriori de la prise de vue (en profitant de la très haute définition de l’image originale),
  • Stabilisation : améliorer le rendu des vidéos et permettre des temps d’obturation plus long sans risque de flou de bougé.
  • Briller en société (un bénéfice que j’ai officieusement introduit lors de notre test du 808 PureView) : présenter une photo prise en 38MP et zoomer, zoomer dedans pour révéler un minuscule détail vous permettra de surprendre vos hôtes lors des cocktails mondains. Si vous êtes capable d’enchaîner en plaçant une citation de Kafka, votre avenir sera tracé ! Nul doute que PureView va progressivement remplacer les Ferrero dans les réceptions de l’ambassadeur.
  • Rich Recording : un point impossible à passer sous silence ! Le Lumia 1020 est équipé de microphones à haute amplitude de capture (HAAC), composés de 2 élements distincts capable de capturer des pressions acoustiques atteignant 140dB (l’équivalent sonore d’un avion au décollage). Important détail, l’enregistrement audio sera stéréo, une première sous Windows Phone. Un exemple simple ? Il m’est pratiquement impossible d’uploader une vidéo de concert sur YouTube prise avec un 808 (lui aussi équipé du Rich Recording) sans que ne soit automatiquement reconnue « l’utilisation d’une œuvre soumise aux droits d’auteur »…

Les efforts déployés par les finlandais méritent que l’on insiste : toute la chaine optique du terminal a été conçue pour optimiser la quantité de lumière reçue par le capteur. Des lentilles, à la stabilisation. De l’architecture du capteur, aux algorithmes de suréchantillonnage. Un seul mystère demeure : le 1020 sera-t-il victime du même syndrôme que le Lumia 920 qui avait tendance à une large exagération de la luminosité des scènes nocturnes capturées ? Nous espérons le contraire et le vérifierons au plus vite dans notre test.

Si un an et demi après la première annonce de la technologie PureView la concurrence se fait toujours attendre, cet appareil prouve que Nokia ne se repose pas sur ses lauriers. Que ce soit le futur Honami de Sony, un nouvel effort de HTC, une percée de Samsung, ou encore l’arrivée supposée de Nikon, les autres fabricants ont fort à faire pour tenter de se rapprocher de la qualité des solutions imaginées par la R&D de Nokia. Et si les idées développées par Nokia peuvent sembler simples ou logiques sur le papier, les intégrer dans un ensemble aussi compact constitue un intense challenge et trouver les solutions pour en assurer la production en série est une gageure.

Le niveau d’ingénierie mis en œuvre à chaque étape, par chaque partenaire, est remarquable. Le cahier des charges était simple mais fou : « construire un module caméra d’une épaisseur maximale de 10mm qui miniaturise avec efficacité chacune des technologies précédemment utilisées par la marque finlandaise ». Challenge accepted. Unique compromis réalisé : la disparition du filtre ND (gris neutre), qui a permis de gagner quelques précieux microns d’épaisseur. Les équipe de Eero Salmelin (responsable du département Nokia Imaging) et Juha Alakarhu (responsable du projet Lumia 1020) : Kristina Björknäs, Marcus Olsson, Ari Partinen, et Heikki Sassiont ont réussi leur pari.

 

L’interface

L’interface photo/vidéo du 808 PureView est une des interfaces les plus appréciées et les plus efficaces du marché. De l’autre côté l’interface proposée par Windows Phone en standard laissait grandement à désirer (et c’est une litote)… C’est donc un point sur lequel Nokia est attendu, puisque l’ergonomie de l’application image peut rendre rébarbative ou merveilleuse la prise de photo.

Pour le 1020, Nokia est parti d’une feuille blanche et a développé sa propre interface photographique « Nokia Pro Camera« . A première vue elle est simple et élégante. Intuitive, elle permet notamment d’accéder facilement à une collection de réglages manuels (balance des blancs, focus, ISO, exposition et même durée d’exposition) via des disques de réglage, qui, tout en transparence, laissent la part belle à la scène à capturer. Didactique, elle avertira les photographes en herbe de réglages peu adaptés.

Seul bémol, un certain nombre de réglages semblent aujourd’hui absents de cette application, notamment bracketing, saturation, contraste, netteté et profil colorimétrique. Nous attendrons la version finale du logiciel avant de nous prononcer définitivement sur ce point.

Vous pourrez vous faire votre propre idée de l’ergonomie de cette application en visionnant cette vidéo concoctée par Axel (à partir de 10:43) :

Image de prévisualisation YouTube

L’utilisation

La dernière grande nouveauté apportée par le 1020, celle qui lui vaut le slogan de « réinvention du zoom« , consiste en l’enregistrement simultanée d’une image en 5 MégaPixels (la scène cadrée et zoomée comme vous le souhaitez) et d’une image de 34/38 MégaPixels (la scène complète telle que vue par le capteur).

Si la première est destinée à faciliter le partage en ligne ou l’impression sur les moyens formats, la seconde est vouée à redéfinir la façon dont nous photographions. La réserve de pixels est telle que l’utilisateur aura le loisir de revenir sur son cliché après la prise de vue et en extraire autant d’images « autonomes » qu’il le souhaite. Chaque portion créée après recadrage ou zoom dans l’image originale sera prétexte à une nouvelle image « autonome » :

Zoom. Reinvented.

Le zoom. Réinventé.

Toute proportion gardée, cette capacité à pouvoir venir retravailler à sa guise un cliché se rapproche du mode d’enregistrement RAW+JPEG que l’on peut rencontrer sur certains appareils photo haut de gamme. Dites adieu aux crises pré-cliché, ou en quelques secondes il vous faut décider du meilleur cadrage. Détendez-vous. Une autre façon de penser la photographie s’ouvre à vous.

Petit détail pratique (tac), le 1020 dispose d’une accroche pour lanière.

 

Conclusion

Côté imagerie, le Lumia 1020 possède sur le papier toutes les caractéristiques à même d’en faire le digne successeur du 808 PureView (exception faite de l’absence d’un filtre ND). Si son capteur et ses petits photosites représentent un risque réel pour la performance finale, sa nouvelle architecture (BSI vs. FSI), son optique plus rapide (environ +30%) et sa stabilisation (+2IL) devraient lui permettre d’égaler voir de prendre l’ascendant sur le terminal Symbian. Une chose est certaine, le travail des équipes finlandaises permet à l’appareil de revendiquer sur le papier le meilleur compromis compacité / qualité / usages du marché.

Toutes les caractéristiques… et surtout la plus importante : Nokia désire vendre le Lumia 1020. A la différence du 808 qui souffre de l’utilisation de Symbian, un OS dont Nokia ne souhaite plus du tout faire la promotion, le 1020 repose sur Windows Phone. Et il est plus que jamais vital pour Nokia de vendre Windows Phone au monde entier. Les ventes de la marque n’ont jamais été aussi faibles. Et plus faibles sont les ventes, plus réduits seront les fonds pour développer et promouvoir de futurs appareils. Un cercle vicieux peut très rapidement s’installer.

Un design frais, une ligne compacte, un OS apprécié, une technologie originale et aboutie. Un appareil sans réelle concurrence technique. Si les tests viennent confirmer que son plumage se rapporte à son ramage, il ne manquera plus qu’une politique tarifaire raisonnable et un marketing adéquat pour faire de cet appareil un succès populaire. Pour Nokia, la réponse à la grande question sur la vie, l’univers et le reste pourrait bien ne pas être 42, mais 41…

Le 808 PureView avait déjà le potentiel pour bouleverser les marchés des smartphones et des appareils photographiques, le Lumia 1020 pourrait bien ici, s’en voir offrir les moyens.

@fneuf

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