Trois caméras, et c'est le téléphone qui choisit : quel objectif travaille vraiment la nuit

Vous touchez «0,5x» et le cadre s’ouvre. Vous touchez «5x» et la Lune remplit l’écran. Entre les deux se tient un logiciel qui décide quel capteur du module va réellement travailler, et sa décision tient compte, entre autres, de la lumière disponible dans la scène. La nuit, la lumière est précisément ce qui manque. C’est là que le téléphone se met à choisir à votre place, et il lui arrive de changer d’avis pendant que vous êtes encore en train de poser.

Le multiplicateur est une étiquette

Les chiffres de l’application fixent un facteur de zoom, et un facteur de zoom n’est relié à aucune lentille en particulier. Sous iOS, l’application ouvre presque toujours un appareil virtuel : la documentation AVFoundation décrit builtInTripleCamera comme «un type de caméra intégrée composé de trois caméras à focale fixe, une ultra grand-angle, une grand-angle et un téléobjectif», et place en tête de ses fonctions le «basculement automatique d’une caméra à l’autre lorsque le facteur de zoom, le niveau de lumière et la position de mise au point le permettent».

Sous Android, les pièces portent d’autres noms et le résultat est le même. Une logical camera regroupe deux caméras physiques ou davantage, et la page de Google prévient que ce que vous en obtenez «dépend entièrement de l’implémentation OEM du Camera HAL», avec pour exemple un Pixel 3 qui sélectionne l’une de ses caméras physiques d’après la focale demandée et la zone de recadrage. Aucune des deux plateformes ne vous promet un objectif. Elle vous promet un champ, en se réservant la façon de l’obtenir.

Relisez la condition en trois volets : zoom, lumière, mise au point. Sous un ciel étoilé, deux de ces trois-là sont exactement celles que vous avez poussées à bout.

Trois objectifs, pas un appareil décliné en trois focales

Pour un objet étendu (la Voie lactée, une nébuleuse, le fond de ciel que font monter les lampadaires), le calcul est plus court qu’il n’y paraît. Les photons reçus par un pixel en une seconde sont proportionnels au carré du rapport entre le côté du photosite et le nombre f. La focale disparaît de l’équation : une focale plus longue collecte plus de lumière et l’étale sur une portion de ciel plus petite, et les deux effets s’annulent.

Prenons des chiffres de commodité, à remplacer par les vôtres : un capteur principal à f/1.8 avec des photosites regroupés de 1,4 micromètre face à un ultra grand-angle à f/2.2 avec des photosites de 1,0. Le rapport entre les deux signaux frôle le facteur trois, soit un bon diaphragme et demi de retard pour l’ultra grand-angle, avant même d’avoir choisi un temps de pose. L’ouverture plus fermée et le photosite plus petit tirent dans le même sens. Ce cumul de handicaps ne figure sur aucune fiche de magasin.

Avec les étoiles, le calcul bascule à mi-chemin. Une étoile est un point, et le nombre total de photons que vous en récoltez dépend de la surface de la pupille d’entrée, c’est-à-dire du carré du rapport entre focale réelle et nombre f. Le téléobjectif possède souvent la plus large pupille du module malgré sa moins bonne ouverture, parce que sa focale vaut plusieurs fois celle du grand-angle. Sur une seule et même image, le fond de ciel se dégrade pendant que les étoiles s’améliorent. Lequel des deux compte dépend de la cible du soir, et cet arbitrage n’appartient qu’à vous.

Les vrais chiffres sont dans le téléphone

Sur votre propre appareil, les grandeurs nécessaires à ce calcul n’ont rien de confidentiel : le système d’exploitation les publie. Sous Android, CameraCharacteristics déclare les focales disponibles, les ouvertures disponibles, «les dimensions physiques de la matrice complète de pixels» et le nombre de pixels de cette matrice. Le côté du photosite, c’est la première divisée par le second. Le champ réel se déduit de la focale et de la largeur du capteur, deux lignes de trigonométrie.

Sous iOS, AVCaptureDevice expose lensAperture, «un float indiquant la taille (le nombre f) du diaphragme», assorti d’une précision qui mérite qu’on la retienne : «cette valeur ne change pas». Les caméras de téléphone ont un diaphragme fixe. La seule chose capable de modifier l’ouverture entre deux clichés est donc le passage à un autre objectif.

Cela dit, aucune ligne de code n’est nécessaire. Les EXIF suffisent. Focale et nombre f sont inscrits dans chaque fichier enregistré par le téléphone, et c’est la voie la plus directe pour savoir quel objectif a réellement pris la photo.

Le basculement qui casse votre stack

C’est ici que la documentation d’Apple devient franchement intéressante pour qui additionne des centaines de vues. La même page consacrée à la caméra triple indique que «même verrouillées, la durée d’exposition, la sensibilité ISO, l’ouverture, les gains de balance des blancs ou la position de la lentille peuvent changer lorsque l’appareil bascule d’une caméra à l’autre». Quelques lignes plus haut, parmi ce que l’appareil virtuel ne prend pas en charge, on trouve le mode d’exposition personnalisé et le verrouillage de la mise au point sur une position de lentille que vous auriez choisie.

Deux phrases, et une nuit entière suspendue à elles. La première dit que votre temps de pose verrouillé peut cesser d’être celui-là au milieu de la série. La seconde dit que tant que vous restez sur l’appareil virtuel, la mise au point à l’infini, celle qu’il faut imposer à la main dans le noir, n’est même pas une requête que l’API accepte de recevoir.

Les dégâts sur le stack arrivent en trois paliers. L’exposition change, et les images cessent de partager une même échelle de luminosité. L’échelle d’image change, puisque la focale a changé, et l’alignement se retrouve avec deux géométries différentes dans une même série : dans AstroStackerPro comme dans tout logiciel qui aligne après la prise de vue en comparant les étoiles, c’est une série à couper en deux avant de l’additionner. Le capteur change, et vos darks et vos bias décrivent alors une électronique qui n’était pas en service sur la moitié des vues.

Comment reprendre le volant

Il vous faut une application qui vous laisse désigner la caméra physique. Sous iOS, l’ultra grand-angle et le téléobjectif existent comme types d’appareil à part entière, builtInUltraWideCamera et builtInTelephotoCamera, et la documentation signale qu’on ne les découvre qu’à travers une discovery session : une application qui vous les propose en entrées distinctes a fait ce travail. Pour qui reste sur l’appareil virtuel, il existe malgré tout un interrupteur documenté, primaryConstituentDeviceSwitchingBehavior, dont la valeur locked signifie que «l’appareil verrouille le changement de caméra sur l’appareil constitutif principal actif». Côté Android, le chemin équivalent passe par setPhysicalCameraId() dans la configuration de sortie, qui rattache un flux à un seul capteur physique.

De votre côté, sur le terrain, la vérification coûte trente secondes. Faites une série courte sur la cible du soir, puis ouvrez les EXIF de la première vue, d’une vue du milieu et de la dernière, et comparez focale et nombre f. S’ils ont bougé, vous tenez le coupable. Tenez-vous également à l’écart des valeurs de zoom intermédiaires : entre deux crans marqués, vous récupérez de toute façon un recadrage numérique, et vous offrez en prime au système la liberté de recommencer à choisir.

Quel objectif mérite la soirée

L’ultra grand-angle sert quand le champ est le sujet : l’arche de la Voie lactée d’un horizon à l’autre, un rideau auroral sur la moitié du ciel, un paysage qui doit tenir en entier. Cela se paie en bruit. Le calcul plus haut vous dit combien.

Le principal reste le point de départ pour tout le reste, et pas seulement par habitude : c’est le plus grand capteur du module, il a l’ouverture la plus généreuse et les photosites les plus larges, et c’est le seul conçu autour de la disette de lumière.

Le téléobjectif mérite la Lune, le Soleil derrière un filtre certifié, les conjonctions serrées, le passage de la Station spatiale. Ce sont des cibles petites ou brillantes, où une large pupille et une échelle d’image fine pèsent plus lourd qu’un fond de ciel qui monte.

Votre téléphone ne vous ment pas. Il optimise pour un dîner au restaurant et un coucher de soleil sur la mer, ce qui représente quatre-vingt-dix-neuf pour cent de son métier, et il s’en acquitte remarquablement. Sauf que vous l’avez braqué sur le ciel, et dans ce cas la seule configuration fiable est celle qui lui retire une décision des mains.