GAMME DYNAMIQUE EN PHOTOGRAPHIE NUMÉRIQUE
La plage dynamique en photographie décrit le rapport entre les intensités lumineuses maximales et minimales mesurables (blanc et noir, respectivement). Dans le monde réel, on ne rencontre jamais de vrai blanc ou noir - seulement des degrés variables d'intensité de la source lumineuse et de réflectivité du sujet. Par conséquent, le concept de plage dynamique devient plus compliqué et dépend si vous décrivez un périphérique de capture (tel qu'un appareil photo ou un scanner), un périphérique d'affichage (tel qu'une impression ou un écran d'ordinateur) ou le sujet lui-même.
Tout comme pour la gestion des couleurs, chaque appareil de la chaîne d'imagerie ci-dessus possède sa propre plage dynamique. Dans les impressions et les écrans d'ordinateur, rien ne peut devenir plus brillant que le blanc du papier ou un pixel d'intensité maximale, respectivement. En fait, un autre appareil non illustré ci-dessus est nos yeux, qui ont également leur propre plage dynamique. La traduction des informations d'image entre les appareils peut donc affecter la façon dont cette image est reproduite. Le concept de plage dynamique est donc utile pour les comparaisons relatives entre la scène réelle, votre appareil photo et l'image sur votre écran ou dans l'impression finale.
INFLUENCE DE LA LUMIÈRE :ÉCLAIRAGE ET RÉFLECTIVITÉ
L'intensité lumineuse peut être décrite en termes de lumière incidente et réfléchie; les deux contribuent à la plage dynamique d'une scène (voir tutoriel sur "la mesure et l'exposition de l'appareil photo").
Les scènes avec une forte variation de réflectivité, telles que celles contenant des objets noirs en plus de fortes réflexions, peuvent en fait avoir une plage dynamique plus grande que les scènes avec une grande variation de lumière incidente. La photographie dans l'un ou l'autre scénario peut facilement dépasser la plage dynamique de votre appareil photo, en particulier si l'exposition n'est pas parfaite.
Une mesure précise de l'intensité lumineuse, ou luminance, est donc essentielle lors de l'évaluation de la plage dynamique. Ici, nous utilisons le terme éclairement pour spécifier uniquement la lumière incidente. L'éclairement et la luminance sont généralement mesurés en candelas par mètre carré (cd/m). Les valeurs approximatives des sources de lumière couramment rencontrées sont indiquées ci-dessous.
Ici, nous voyons la grande variation possible pour la lumière incidente, puisque le diagramme ci-dessus est mis à l'échelle à des puissances de dix. Si une scène était éclairée de manière inégale par la lumière directe du soleil et par la lumière du soleil obstruée, cela seul peut augmenter considérablement la plage dynamique d'une scène (comme le montre l'exemple du coucher de soleil dans un canyon avec une falaise partiellement éclairée).
APPAREILS PHOTO NUMÉRIQUES
Bien que la signification de la plage dynamique pour une scène du monde réel soit simplement le rapport entre les régions les plus claires et les plus sombres (rapport de contraste), sa définition devient plus compliquée lors de la description d'appareils de mesure tels que les appareils photo numériques et les scanners. Rappelons-nous du tutoriel sur les capteurs d'appareil photo numérique que la lumière est mesurée à chaque pixel dans une cavité ou un puits (photosite). La taille de chaque photosite, en plus de la façon dont son contenu est mesuré, détermine la plage dynamique d'un appareil photo numérique.
Niveau de noir(limité par le bruit)
Niveau de blanc(Photosite saturé)
Niveau de blanc plus foncé(Photosite à faible capacité)
Les photosites peuvent être considérés comme des seaux qui contiennent des photons comme s'ils étaient de l'eau. Par conséquent, si le seau devient trop plein, il débordera. On dit qu'un photosite qui déborde est devenu saturé et est donc incapable de discerner les photons entrants supplémentaires - définissant ainsi le niveau de blanc de l'appareil photo. Pour un appareil photo idéal, son rapport de contraste serait donc juste le nombre de photons qu'il pourrait contenir dans chaque photosite, divisé par l'intensité lumineuse mesurable la plus sombre (un photon). Si chacun contenait 1000 photons, alors le rapport de contraste serait de 1000:1. Étant donné que les photosites plus grands peuvent contenir une plus grande gamme de photons, la plage dynamique est généralement plus élevée pour les appareils photo reflex numériques que pour les appareils photo compacts (en raison des tailles de pixel plus grandes).
Note technique :Dans certains appareils photo numériques, il existe un réglage ISO bas étendu qui produit moins de bruit, mais diminue également la plage dynamique. En effet, le réglage en vigueur surexpose l'image d'un f-stop complet, mais tronque ensuite les hautes lumières, augmentant ainsi le signal lumineux. Un exemple de ceci est de nombreux appareils photo Canon, qui ont une vitesse ISO-50 inférieure à la norme ISO-100.
En réalité, les caméras grand public ne peuvent pas compter les photons individuels. La plage dynamique est donc limitée par le ton le plus sombre où la texture ne peut plus être discernée ; nous appelons cela le niveau de noir. Le niveau de noir est limité par la précision avec laquelle chaque photosite peut être mesuré, et est donc limité dans l'obscurité par le bruit de l'image. Par conséquent, la plage dynamique augmente généralement pour les vitesses ISO inférieures et les appareils photo avec moins de bruit de mesure .
Note technique :Même si un photosite pouvait compter des photons individuels, il serait toujours limité par le bruit des photons. Le bruit photonique est créé par la variation statistique de l'arrivée des photons et représente donc un minimum théorique de bruit. Le bruit total représente la somme du bruit photonique et du bruit de lecture.
Dans l'ensemble, la plage dynamique d'un appareil photo numérique peut donc être décrite comme le rapport entre l'intensité lumineuse maximale mesurable (à la saturation des pixels) et l'intensité lumineuse minimale mesurable (au-dessus du bruit de lecture). L'unité la plus couramment utilisée pour mesurer la plage dynamique dans les appareils photo numériques est le f-stop, qui décrit la plage lumineuse totale par des puissances de 2. Un rapport de contraste de 1024:1 pourrait donc également être décrit comme ayant une plage dynamique de 10 f-stops (puisque 2 =1024). Selon l'application, chaque unité f-stop peut également être décrite comme une "zone" ou "eV".
SCANNER
Les scanners sont soumis au même critère saturation:bruit que pour la plage dynamique des appareils photo numériques, sauf qu'il est plutôt décrit en termes de densité (D). Ceci est utile car il est conceptuellement similaire à la façon dont les pigments créent des tons dans les supports imprimés, comme indiqué ci-dessous.
 |  |  | |
| Faible réflexion (haute densité) | Haute réflexion (Faible densité) | Haute densité de pigments (ton plus foncé) | Faible densité de pigments (ton plus clair) |
La plage dynamique globale en termes de densité est donc la densité pigmentaire maximale (D), moins la densité pigmentaire minimale (D). Contrairement aux puissances de 2 pour les f-stops, la densité est mesurée à l'aide de puissances de 10 (tout comme l'échelle de Richter pour les tremblements de terre). Une densité de 3.0 représente donc un rapport de contraste de 1000:1 (puisque 10 =1000).
| Plage dynamique de l'original |    |
|---|---|
| Plage dynamique du scanner |
Au lieu de répertorier la densité totale (D), le fabricant du scanner indique généralement uniquement la valeur D, puisque D- D est approximativement égal à D. En effet, contrairement aux appareils photo numériques, un scanner a un contrôle total sur sa source de lumière, garantissant ainsi un minimum de photosite. la saturation se produit.
Pour une densité de pigment élevée, les mêmes contraintes de bruit s'appliquent aux scanners qu'aux appareils photo numériques (puisqu'ils utilisent tous deux un réseau de photosites pour la mesure). Par conséquent, le D mesurable est également déterminé par le bruit présent lors de la lecture du signal lumineux.
COMPARAISON
La plage dynamique varie tellement qu'elle est généralement mesurée sur une échelle logarithmique, de la même manière que des intensités sismiques très différentes sont toutes mesurées sur la même échelle de Richter. Ici, nous montrons la plage dynamique maximale mesurable (ou reproductible) pour plusieurs appareils en termes de mesure préférée (f-stops, densité et rapport de contraste). Déplacez votre souris sur chacune des options ci-dessous pour les comparer.
| Sélectionnez Mesure pour la plage dynamique : | ||
|---|---|---|
| f-stops | Densité | Taux de contraste |
| Sélectionnez les types à afficher ci-dessus : | |||
|---|---|---|---|
| Médias imprimés | Scanneurs | Appareils photo numériques | Périphériques d'affichage |
Notez l'énorme écart entre la plage dynamique reproductible dans les impressions et celle mesurable par les scanners et les appareils photo numériques. Pour une comparaison avec la plage dynamique réelle d'une scène, celles-ci varient d'environ 3 diaphragmes pour une journée nuageuse avec une réflectivité presque uniforme, à plus de 12 diaphragmes pour une journée ensoleillée avec une réflectivité très inégale.
Des précautions doivent être prises lors de l'interprétation des chiffres ci-dessus; la plage dynamique réelle est une fonction importante de la lumière ambiante pour les impressions et les dispositifs d'affichage. Les impressions qui ne sont pas visualisées sous une lumière adéquate peuvent ne pas donner leur plage dynamique complète, tandis que les appareils d'affichage nécessitent une obscurité presque complète pour réaliser leur plein potentiel, en particulier pour les écrans plasma. Enfin, ces valeurs ne sont que des approximations approximatives ; les valeurs réelles dépendent de l'âge de l'appareil, de la génération du modèle, de la gamme de prix, etc.
Soyez averti que les taux de contraste des appareils d'affichage sont souvent très exagérés , car il n'y a pas de norme de fabricant pour les répertorier. Les rapports de contraste supérieurs à 500:1 ne sont souvent que le résultat d'un point noir très sombre, au lieu d'un point blanc plus lumineux. Pour cette raison, il convient de prêter attention à la fois au rapport de contraste et à la luminosité. Les rapports de contraste élevés (sans une luminosité correspondante plus élevée) peuvent être complètement annulés même par la lumière ambiante des bougies.
L'ŒIL HUMAIN
L'œil humain peut en fait percevoir une plus grande plage dynamique que ce qui est normalement possible avec un appareil photo. Si nous devions considérer des situations où notre pupille s'ouvre et se ferme pour varier la lumière, nos yeux peuvent voir sur une plage de près de 24 diaphragmes.
En revanche, pour des comparaisons précises avec une seule photo (à ouverture, obturateur et ISO constants), on ne peut considérer que la plage dynamique instantanée (où notre ouverture pupillaire est inchangée). Cela reviendrait à regarder une région d'une scène, à laisser nos yeux s'adapter et à ne regarder nulle part ailleurs. Pour ce scénario, il y a beaucoup de désaccord, car la sensibilité et la plage dynamique de notre œil changent en fait en fonction de la luminosité et du contraste. La plupart estiment entre 10 et 14 diaphragmes.
Le problème avec ces chiffres est que nos yeux sont extrêmement adaptables. Pour les situations d'observation d'étoiles extrêmement faiblement éclairées (où nos yeux se sont adaptés pour utiliser des cellules en bâtonnets pour la vision nocturne), nos yeux se rapprochent de plages dynamiques instantanées encore plus élevées (voir le didacticiel sur la "Perception des couleurs de l'œil humain").
PROFONDEUR DE BIT ET PLAGE DYNAMIQUE DE MESURE
Même si un appareil photo numérique peut capturer une vaste plage dynamique, la précision avec laquelle les mesures de lumière sont traduites en valeurs numériques peut limiter la plage dynamique utilisable. Le cheval de bataille qui traduit ces mesures continues en valeurs numériques discrètes s'appelle le convertisseur analogique-numérique (A/N). La précision d'un convertisseur A/N peut être décrite en termes de bits de précision, similaire à la profondeur de bits dans les images numériques, bien qu'il faille veiller à ce que ces concepts ne soient pas utilisés de manière interchangeable. Le convertisseur A/N est ce qui crée les valeurs pour le format de fichier RAW de l'appareil photo numérique.
| Précision en bits du convertisseur analogique/numérique | Taux de contraste | Plage dynamique | |
|---|---|---|---|
| f-stops | Densité | ||
| 8 | 256:1 | 8 | 2.4 |
| 10 | 1024:1 | 10 | 3.0 |
| 12 | 4096:1 | 12 | 3.6 |
| 14 | 16384:1 | 14 | 4.2 |
| 16 | 65536:1 | 16 | 4.8 |
Remarque :Les valeurs ci-dessus concernent uniquement la précision du convertisseur A/N et ne doivent pas être utilisées pour interpréter les résultats des fichiers image 8 et 16 bits. De plus, les valeurs indiquées sont un maximum théorique, en supposant que le bruit n'est pas limitatif, et cela s'applique uniquement aux convertisseurs A/N linéaires.
Par exemple, 10 bits de précision tonale se traduisent par une plage de luminosité possible de 0 à 1023 (puisque 2 =1024 niveaux). En supposant que chaque numéro de convertisseur A/N est proportionnel à la luminosité réelle de l'image (ce qui signifie que deux fois la valeur du pixel représente deux fois la luminosité), une précision de 10 bits ne peut encoder qu'un rapport de contraste de 1024:1.
La plupart des appareils photo numériques utilisent un convertisseur A/N de 10 à 14 bits, et leur plage dynamique maximale théorique est donc de 10 à 14 arrêts. Cependant, cette profondeur de bits élevée ne fait que minimiser la postérisation de l'image, car la plage dynamique totale est généralement limitée par les niveaux de bruit. De la même manière qu'une image à haute profondeur de bits ne signifie pas nécessairement que l'image contient plus de couleurs, si un appareil photo numérique dispose d'un convertisseur A/N de haute précision, cela ne signifie pas nécessairement qu'il peut enregistrer une plus grande plage dynamique. En effet, la plage dynamique peut être considérée comme la hauteur d'un escalier tandis que la profondeur de bits peut être considérée comme le nombre de marches. En pratique, la plage dynamique d'un appareil photo numérique n'approche même pas le maximum théorique du convertisseur A/N; 8 à 12 arrêts sont généralement tout ce que l'on peut attendre de l'appareil photo.
INFLUENCE DU TYPE D'IMAGE ET DE LA COURBE TONALE
Les fichiers d'images numériques peuvent-ils réellement enregistrer la plage dynamique complète des appareils haut de gamme ? Il semble y avoir beaucoup de confusion sur Internet quant à la pertinence de la profondeur de bits de l'image sur la plage dynamique enregistrable.
Nous devons d'abord distinguer si nous parlons de plage dynamique enregistrable ou de plage dynamique affichable. Même un fichier d'image JPEG 8 bits ordinaire peut éventuellement enregistrer une plage dynamique infinie - en supposant que la bonne courbe tonale est appliquée lors de la conversion RAW (voir le didacticiel sur les courbes, sous motivation :plage dynamique), et que le convertisseur A/N a le précision de bit requise. Le problème réside dans l'utilisabilité de cette plage dynamique; si trop peu de bits sont répartis sur une trop grande plage de tons, cela peut entraîner une postérisation de l'image.
D'autre part, la plage dynamique affichable dépend de la correction gamma ou de la courbe tonale impliquée par le fichier image, ou utilisée par la carte vidéo et le périphérique d'affichage. En utilisant un gamma de 2,2 (standard pour les PC), il serait théoriquement possible d'encoder une plage dynamique de près de 18 diaphragmes (voir tutoriel sur la correction gamma, à ajouter). Encore une fois cependant, cela souffrirait d'une grave postérisation. La seule solution standard actuelle pour encoder une plage dynamique presque infinie (sans postérisation visible) consiste à utiliser des fichiers d'image à plage dynamique élevée (HDR) dans Photoshop (ou un autre programme de support).
