+ +

Acuité visuelle: écrans, exemples concrets

Acuité visuelle: quels détails peut-on percevoir?

Cette page est consacrée à l’étude des relations entre l’acuité visuelle et la capacité à distinguer certains détails, au travers de quelques exemples concrets (les écrans numériques, les panneaux d’affichage urbain, etc.) et applications courantes dans la vie quotidienne. Pour se familiariser avec certains concepts plus fondamentaux, il est  conseillé de consulter la page consacrée à l’’acuité visuelle, qui est la capacité à résoudre les détails constitutifs des images.

L’acuité visuelle de l’œil humain conditionne en partie la résolution des écrans numériques, les dimensions des panneaux d’affichage public et celle de leurs inscriptions, etc. En effet, pour être réaliste, et « agréable » à l’oeil, la « trame » de l’image d’un écran (les lignes de points – pixels- qui la constituent) doit demeurer « invisible ». Autrement dit, la résolution de l’image affichée ou projetée doit excéder la résolution maximale de l’œil (on parle de « sous échantillonnage »).

 

Acuité visuelle et écrans

Les écrans ont envahi notre espace et le temps passé devant ces « fenêtres digitales » de cesse de croître… (comme en atteste peut être votre visite sur ce site !)

Ecran TV / LCD

Les écrans modernes sont constitués de matrices de cristaux liquides : l’affichage dit « HD » (haute définition) est constitué d’une matrice de 1920 points par lignes x 1080 lignes : soit un peu plus de 2 millions de points ou « pixels » répartis sur l’écran du téléviseur  (l’affichage standard des télévisions était auparavant de 1024×768, soit un peu moins de 800 000 points). Les pixels sont eux même composés d’une mosaïque de « sous-pixels » élémentaires (rouges, verts et bleus), dont l’arrangement varie selon les designs, et la technologie (LED ou AMOLED). En s’approchant suffisamment près d’une dalle LCD de taille standard (ex: écran TV), on peut facilement distinguer ces pixels, voire les sous pixels qui les composent. A moins de 2 mètres d’une dalle LCD de 46 pouces en full HD (1920 x 1080 soit 47,9 pixels par pouces), un oeil dont l’acuité visuelle atteint 10/10 peut distinguer les pixels. Il est ainsi préférable de regarder cet écran à une distance plus importante.

La résolution d’un écran n’est pas le seul paramètre à prendre en compte pour évaluer la qualité d’une image: le contraste, le taux de rafraîchissement des images, la colorimétrie, sont autant d’autres variables à considérer. Cette page se limite à explorer les rapports entre acuité visuelle et perception des détails élémentaires d’une image statique.

La figure suivante permet d’établir quelques rappels élémentaires pour comprendre ce qui suit. La principale difficulté dans ce contexte est de comprendre la signification des unités employées pour désigner le pouvoir de résolution de l’œil humain.

représentation des correspondance entre cycles par degré et acuité

Le pouvoir de résolution de l’oeil est classiquement exprimé en dixièmes (ex: acuité de 3/10), ou, plus techniquement, en nombres de cycles résolus par degré. Il s’agit toujours de quantifier le nombre de « détails » que l’oeil peut distinguer quand ils sont inscrit dans un secteur angulaire, ou bien encore la taille de l’angle minimal dans lequel peuvent être inscrits les détails les plus fins. L’angle minimum de résolution dans cet exemple est égal à 1 minute d’arc, dans lequel s’inscrit un demi cycle. Rappelons qu’1 minute d’arc équivaut à 1/60e de degré. On peut donc résoudre 30 cycles dans un degré pour une acuité visuelle de 10/10 (résoudre veut dire distinguer deux traits noirs ou deux traits blancs comme séparés, ce qui requiert de distinguer ou d’échantillonner le trait intermédiaire de couleur opposée. L’acuité visuelle maximale de l’œil humain, en terme de pouvoir séparateur, peut atteindre 20/10, soit 60 cycles par degré: on atteint alors la limite d’échantillonnage de la rétine :  chaque trait du cycle, noir ou blanc,  se « projette » sur un cône rétinien. Si les traits correspondent à des « pixels » d’écran, on peut alors considérer que la résolution de l’écran est « équivalente » au pouvoir d »échantillonnage de l’œil considéré. Dans les mêmes conditions d’observation, augmenter la définition de l’écran (réduire la taille des pixels) permet de ne plus offrir à l’œil qui le regarde la possibilité de « voir » les pixels (l’oeil « sous échantillonne »).


 

 

Concernant les calculs relatifs à l’acuité visuelle et la résolution spatiale des motifs observés, il est préférable d’utiliser l’expression en cycles par degré à celle en « dixièmes » ou fraction. Il convient aussi de rappeler quelques équivalences utiles: une acuité visuelle de 10/10e correspond à résoudre 30 cycles inscrits dans un angle visuel de 1 minute d’arc. Un cycle est constitué au minimum d’un couple de points (ou pixels): 1 sombre et 1 clair. Les fréquences spatiales , qui sont des motifs répétitifs constitutifs des images sont exprimées en nombre de cycles par degré.

Sachant qu’un œil humain a une résolution maximale proche de 60 cycles par degré (soit 20/10 : capacité d’échantillonnage maximale de la rétine quand l’œil est parfaitement corrigé), quelle densité spatiale de « pixels » est requise pour afficher une image « lisse » (sans trame visible), à une taille d’écran donnée, observée à une certaine distance? Par densité « requise » on entend « excédant » la résolution de l’œil,  pour que celui-ci ne puisse distinguer les lignes ou la trame constitutives de l’image affichée sur l’écran (on rappelle que l’œil peut résoudre dans un angle donné un motif constitué d’un certain nombre de lignes claires et sombres alternées, une paire de lignes = 1 claire+1 sombre définissant un cycle).

Pour simplifier les calculs, nous choisirons une valeur de 50 cycles par degré pour le pouvoir de résolution maximum de l’œil considéré (ce qui correspond à une acuité visuelle décimale 16,5 dixièmes, l’acuité visuelle théorique maximale de l’œil humain est de 60 cycles par degré soit 20 dixièmes). Nous nous placerons ainsi dans une hypothèse haute, la plupart des textes consacrés à ce sujet choisissent une acuité visuelle de 10/10 comme seuil de résolution.

Cet œil est bien entendu emmétrope (il n’est ni myope, ni hypermétrope, ni astigmate, ou alors parfaitement corrigé pour ces défauts), et accommode suffisamment en vision de près (pas de presbytie).

Prenons l’exemple d’un écran 16/9 de TV haute résolution – full HD ( définition 1920×1080), de diagonale de 46 pouces, soit 117 cm (environ 47 pixels par pouces – ppp, un pouce étant égal à 2,54 cm). La hauteur de cet écran est de 57 cm et sa largeur de 101 cm. Soulignons encore que pour une même définition, la résolution de l’écran diminue avec la taille de sa diagonale, et qu’il faut se reculer si on ne veut pas ressentir une baisse de la résolution de l’écran.

Si l’écran est observé à une distance de 3 mètres, l’angle qu’il forme en hauteur avec l’œil est de

2 x Inv (Tan) (0,285/3) ≈0,188 rad = 10°

acuité visuelle et résolution d'écran full HD

Un écran de 46 pouces vu à une distance de 3 mètres forme un angle de 10° en hauteur avec l’œil. Si l’œil possède une résolution maximale de 50 cycles par degré, il peut distinguer 500 cycles inscrits dans ce secteur angulaire, ce qui requiert 1000 pixels, soit un peu moins que ce qu’offre la résolution native de l’écran.

Si la résolution maximale de l’œil considéré est de 50 cycles par degré, un angle de 10° depuis l’œil embrasse 10 x 50 = 500 cycles. Comme il faut deux pixels pour former un cycle (règle de Nyquist), il faut qu’il y ait au minimum 1000 pixels inscrits dans ces 10° (ou 100 pixels par degré). La résolution de l’écran étant de 1080 pixels,  elle excède légèrement celle de l’œil, qui ne risque pas de voir les lignes constitutives de l’image.

Dans les mêmes conditions d’observation, un écran ancienne génération muni de 768 lignes (soit 768 pixels pour une colonne) serait en revanche « sur échantillonné » par l’œil, avec un risque de percevoir des « trames » horizontales.

Une nouvelle génération d’écran TV à « ultra haute définition » a récemment fait son apparition: la définition en pixels de ces écrans est doublée vis à vis des dalles HD, et de 3840 × 2160 pixels   (format : 1.78:1 ) soit 8 294 400 pixels. Elles permettent en théorie de quadrupler la surface de l’écran sans perte de résolution de l’image observée (si l’oeil est situé au double de la distance d’un écran HD). Avec un tel écran, il faut s’approcher à moins d’1,50 m d’une dalle de 46 pouces pour « sur-échantillonner » l’image affichée (« voir les lignes » de l’écran). La résolution dite « 4K » est sensiblement la même (4096 × 2160 pixels) que la résolution « ultra haute définition », mais utilisée pleinement par des projecteurs cinéma ou home cinéma, elle permet d’afficher des détails dont la résolution excède largement celle de l’œil humain, à moins de s’approcher vraiment de l’écran (ou de projeter sur un écran très grand).

D’une manière générale, on retiendra pour une taille d’écran et une distance d’observation données qu’il faut un seuil minimal de  « 100 pixels par degré » pour ne pas risquer un « sur-échantillonnage » par l’œil.

 Ecran de tablette numérique

Prenons l’exemple d’une tablette tactile numérique iPad mini (version 2 ou 3)  munie de son fameux écran « Rétina » qui affiche une définition de 2 048 x 1 536 pixels (eux mêmes composés de sous-pixels), et dont la diagonale d’écran équivaut à une densité de 326 pixels par pouce (ppp), ou 13,3 pixels par mm. Quand on tient l’iPad à 25 cm de l’oeil, cette résolution correspond à inscrire un cycle dans 0,0003 radians, ou 0,017 degré, ou encore 58 cycles dans un degré… ce qui correspond à une résolution équivalente à la capacité d’échantillonnage maximale de la rétine.

L’iPad air (non mini) est muni d’une définition équivalente, 2 048 x 1 536 pixels, mais la taille supérieure de la diagonale (9,7 vs 7,9 pouces)  aboutit à une densité de 264 pixels par pouce (ppp), soit 10,8 pixels par mm. A 25 cm, l’écran offre une résolution dont la densité spatiale est de 47 cycles par degré, moindre que la résolution rétinienne. Pour égaler celle-ci, il faut observer l’écran de l’iPad à une distance un peu plus grande  environ 33 cm.

Ecran de smartphone

La définition de l’écran de l’iPhone n’a cessé d’augmenter au fil des générations. Celle de l’iPhone 4 était de 640 x 940 pixels, celle de l’iPhone 5 de 640 x 1136 …mais l’écran est aussi un peu plus long à chaque génération : la densité spatiale en pixels (résolution) est ainsi quasiment identique pour les deux générations d’iPhone 4 et 5. Les choses se compliquent légèrement avec l’iPhone 6 et 6S, deux modèles dotés de tailles d’écran différentes, et dont la résolution et également différente.

La définition native de l’écran de l’iPhone 5 est de 1136 x 640 pixels, soit une densité de 326 ppp, soit 13,3 pixels par mm. Cette résolution est équivalente à 58 cycles par degré, à 25 cm.

Cette résolution est proche de la résolution rétinienne maximale,  et justifie certainement l’appellation « rétina display », pour une observation à 25 cm. Au delà, la taille apparente de l’écran diminuant, l’œil peut encore moins résoudre une résolution apparente encore plus élevée.

Pour une observation à 25 cm, une densité de 330 pixels par pouces suffit à excéder le pouvoir de résolution de l’oeil (supposé bien mis au point pour cette distance de 25 cm; cette distance requiert une forte accommodation ou le port de verres de lunettes pour la lecture).

L’iphone 6 est décliné en deux versions:

La diagonale d’écran mesure 4,7 pouces pour l’iPhone 6, avec une définition 1334×780, soit 326 pixels par pouces (ppp), ou 13,3 pixels par mm.

L’iphone 6 « plus » est lui doté d’un écran de 5,5 pouces dont la définition est de 1920×1020, soit 401 pixels par pouces (ppp), ou 16,4 pixels par mm. L’écran de ce modèle est plus grand et également plus dense en pixels.

Pour l’écran de l’iPhone 6 standard, l’angle permettant d’inscrire un pixel est égal à 1/13,3/250=0,0003 radians = 0,017 degré, soit une résolution angulaire de 58 cycles par degré… Quasiment la résolution rétinienne maximale, estimée proche de 60 cycles par degrés. Cette résolution excède bien entendu la résolution « classique » de l’œil humain de 10/10 (30 cycles par degré).

Dans sa version « plus », le même calcul effectué à partir d’une résolution de 16,4 pixels par mm fournit une résolution angulaire de 71,5 cycles par degré, ce qui excède la résolution rétinienne (pour une observation à 25 cm).

L’écran du Galaxy S3 comportait une définition un peu supérieure à celle de l’iPhone 5 (1280 x 720) mais cet écran étant plus grand (+18%), la densité spatiale en pixels est sensiblement la même que celle de ce modèle. La génération suivante, le Galaxy S4,  offre une définition de 1920 par 1080 pixels (« full HD »), avec une densité de 441 pixels par pouce, soit 18 pixels par mm, et 78 cycles par degré. Le Galaxy S5 offre une définition identique, un écran légèrement plus grand, et une densité de 423,64 pixels par pouces (pop) soit 17,3 pixels par mm et 75 cycles par degré. Le récent Galaxy S7 met la barre encore plus haut, avec une densité de 577 pixels par pouce.

Le Galaxy Note 4 offrait à sa sortie l’une des résolution les plus élevées sur ce type d’appareil, qualifié de « phablette » en raison de la taille de son écran (hybride téléphone/ tablette) : malgré la surface notablement plus étendue de l’affichage, la définition atteint 2560×1440 et la résolution 518 pixels par pouces, soit…92 cycles par degré, une fois et demi la résolution rétinienne maximale, toujours pour une observation à 25 cm. On peut calculer qu’il faut approcher le Note 4 à environ 16 cm de l’œil pour que l’échantillonnage rétinien théorique dépasse la résolution native de son écran . Ceci suppose l’absence de presbytie, et un bon pouvoir d’accommodation (ou une myopie proche de 6 Dioptries, qui pourra alors permettre d’observer confortablement l’écran à cette distance sans accommodation). Cette affichage de haute densité requiert des arrangements particuliers de la matrice des sous pixels (affichage « diamond pentile »).  Cette matrice comporte plus de sous pixels verts (518 ppp) que rouges et bleus (366 ppp), pour un total de 7,3 millions de sous-pixels ! Le Note 4 peut être utilisé pour servir d’écran d’affichage, inséré dans le casque de réalité virtuelle Samsung Gear VR. Observée à plus courte distance et avec le grossissement des oculaires , cette résolution devient alors inférieure à la résolution rétinienne. A titre de comparaison, l’écran du Galaxy Note 3 bénéficie d’une définition de 1920 x 1080, avec une résolution de 386 ppp. Cet écran équipe le casque de réalité virtuelle Oculus Rift dans sa version DK2.

sous pixels écran du Note 4

La matrice AMOLED de l’écran du Galaxy Note 4 est une des plus denses en pixels des phablettes disponibles actuellement. La prédominance des sous pixels verts reflète la sensibilité rétinienne accrue pour le vert.

Il est légitime de s’interroger sur l’intérêt d’une telle densité d’affichage; observé à plus de 16 cm, le Note 4 offre théoriquement la possibilité d’afficher des détails d’affichage que l’œil humain ne peut voir… Toutefois, l’utilisation de cette densité d’affichage est tout à fait utile quand on place le Note 4 dans un casque de réalité virtuelle tel que le Samsung Gear VR (pour Virtual Reality), où son écran sert de système d’affichage, et est observé derrière un système d’oculaires stéréoscopiques grossissant. L’écran du Galaxy Note 3 est utilisé pour l’affichage du casque Oculus Rift (version DK2).

Pour sa sortie, le Galaxy Note 7, point de progression de la résolution de l’écran, dont la densité en pixels annoncée est de 506 pixels par pouce (ppp), soit un peu moindre que celle du Galaxy Note 4 et de sa version ultérieure (Note 5) : 518 ppp.  Ceci ne laisse pas augurer d’une amélioration très spectaculaire de l’image perçue au travers du système grossissant du prochain casque Samsung Gear VR), qui risque de demeurer assez « pixellisée »…

 

Ecran « virtuel » des Google glass

Malgré l’arrêt du programme Google glass dans sa forme initiale, il est intéressant de mesurer la résolution de cet écran particulier, qui était « projeté » dans le champ de vision de l’oeil droit du porteur par le pico-projecteur des lunettes de Google, Il apparaît comme un écran de 15 pouces au format 16/9 que l’on observerait à 1.5 mètres environ. L’angle apparent de la largeur (côté vertical de l’écran, dont la hauteur virtuelle est de 32 cm environ) peut être estimé à 12.°. Pour un oeil dont le pouvoir de résolution maximal est de 30 cycles par degré (acuité visuelle 10/10), le nombre de pixels requis pour ne pas « sur-échantillonner » l’image (c’est à dire voir les pixels) est proche de 360… Or, la définition native de l’écran des Google glass est justement de 360 x 640 ! Il est plus que probable que le choix de cette définition et la taille apparente de l’écran ne soit pas le fruit du hasard, mais celui d’un compromis entre densité d’affichage et performances minimales d’acuité de l’oeil humain. Sur la base de ces calculs, une acuité visuelle plus élevée (ex: 50 cycles par degré -16.5 dixièmes) peut entrainer la perception d’une « trame » ou des pixels sur l’écran virtuel.

 

La perception des « pixels » d’un écran est l’apanage des yeux performants. Certains affichages ont vocation à être lus par des yeux moins performants. Nous quittons ici le domaine des « pixels » pour s’intéresser à celui des « détails » permettant d’identifier une image (lettre, motif, etc.).

Affichage urbain

Dans ce contexte, les dimensions des panneaux et de l’affichage ont pour objectif d’être identifiables à grande distance (jusqu’à plusieurs dizaines de mètres).

Nom de rues

Les panneaux parisiens (plaques de rue) affichent des lettres dont la hauteur est proche de 10 cm. Observée à une distance de 10 mètres, une lettre s’inscrit dans un angle de de 0,57° environ. La lettre E correspond à 2 cycles et demi (soit 5 barres au total), soit 4,4 cycles par degré : pour être résolue, cette lettre requiert une acuité visuelle de 4/30= 1,5 dixièmes environ. Observée à 60 mètres, l’acuité visuelle nécessaire pour résoudre cette lettre et lire le nom inscrit sur une plaque de rue est quasiment de 10/10.

Le calcul de l’acuité visuelle minimale pour lire les plaques de rue peut également s’effectuer de la manière suivante : la lettre « E » est constituée de 3 traits horizontaux et d’une barre verticale. Les traits horizontaux ont une largeur de 2 cm environ (chaque trait est espacé d’un intervalle dont la largeur est également de 2 cm). Pour lire le nom d’une rue, l’oeil doit donc résoudre des détails dont les dimensions sont de l’ordre de 2 cm. L’acuité visuelle théorique nécessaire pour lire un panneau de nom de rue dépend bien sûr de la distance entre l’observateur et celui-ci.

La figure suivante représente les dimensions mises en jeu pour le calcul de l’acuité visuelle nécessaire pour lire un panneau de rue:

acuité visuelle et paneau

Le panneau comporte des lettres dont les détails mesurent environ 2cm. L’acuité visuelle nécessaire à la reconnaissance du panneau est fonction de la distance d’observation (calcul de l’angle de résolution minimum / MAR)

Le calcul affiché sur l’illustration (approximation du petit angle par la fonction arcsinus) suggère qu’une acuité visuelle minimale de 1/10 (angle de résolution minimum de 10 minutes d’arc) suffit pour lire un panneau de rue à 7 mètres. En revanche, peu de piétons on de conducteurs pourraient lire un panneau à une distance de 70 mètres, malgré une acuité visuelle de 10/10: ceci est lié la réduction du contraste, la turbidité relative de l’air pour une telle distance, etc.

Stations de métro

Les lettres constitutives des affichages présents sur les quais de stations de métro parisiennes sont d’une hauteur proche de 1 m environ. La largeur des quais est environ de 4 mètres, pour une largeur totale de galerie de 14 mètres environ. Observée à 6 mètres, une lettre constitutive de l’affichage s’inscrit dans un angle de 9,5 degrés avec l’œil.

affichage métro et critères requis pour une acuité visuelle suffisante

Si la lettre « E » mesure 1 mètre de haut, chacune des « barres horizontales » qui la constituent mesure 20 cm. Une barre claire et un interstice adjacent forment un cycle. A 6 mètres, l’ensemble de la lettre s’inscrit dans un angle de 9,5° environ, et il y a donc 2,5/9,5 = 0,26 cycles par degré.

La lettre E représente 2 cycles et demi, soit 2,5/9,5 = 0,26 cycle par degré d’angle. Exprimée en acuité visuelle décimale, l’acuité visuelle minimale pour résoudre cet affichage est de 0,26/30= 0,009 ≈ 0,1 dixièmes (ou 1/100e).

Observée de l’extrémité du quai d’en face (à environ 14 m), cette même lettre E s’inscrirait dans un angle de 4°, et lire le nom de la station requerrait alors une acuité de 0,2 dixièmes environ.

 

Conclusion

Cette page offre un bref aperçu du mode de calcul permettant de « jauger » le pouvoir de résolution de l’œil vis à vis des écrans numériques et des principaux signaux rencontrés en milieu urbain. La capacité d’un motif à être résolu dépend de la densité spatiale des détails qu’il contient, et ce calcul doit bien entendu tenir compte de la distance de visualisation.

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *