Gamme dynamique en photographie numérique

La gamme dynamique (dynamic range) en photographie décrit le ratio 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 pur – seulement des degrés variables d'intensité de source lumineuse et de réflectivité du sujet. Le concept de gamme dynamique devient donc plus complexe, et dépend de si vous décrivez un dispositif de capture (appareil, scanner), un dispositif d'affichage (tirage, écran), ou le sujet lui-même.

Tout comme pour la gestion des couleurs, chaque dispositif dans la chaîne d'imagerie ci-dessus a sa propre gamme dynamique. Dans les tirages et écrans, rien ne peut devenir plus blanc que le blanc papier ou un pixel à intensité max. En fait, un autre dispositif non montré est nos yeux, qui ont aussi leur propre gamme dynamique. La traduction de l'information d'image entre dispositifs peut donc affecter la reproduction de l'image. Le concept de gamme dynamique est donc utile pour des comparaisons relatives entre la scène réelle, votre appareil, et l'image sur votre écran ou dans le tirage final.

INFLUENCE DE LA LUMIÈRE : ILLUMINANCE & RÉFLECTIVITÉ

L'intensité lumineuse peut être décrite en lumière incidente et réfléchie ; les deux contribuent à la gamme dynamique d'une scène (voir tutoriel « mesure d'exposition »).

Les scènes à forte variation de réflectivité, comme celles contenant des objets noirs et de forts reflets, peuvent avoir une gamme dynamique plus grande que des scènes à grande variation d'éclairage incident. La photo sous l'un ou l'autre scénario peut facilement dépasser la gamme dynamique de votre appareil – particulièrement si l'exposition n'est pas parfaite.

La mesure précise de l'intensité lumineuse, ou luminance, est donc cruciale pour évaluer la gamme dynamique. Ici nous utilisons le terme illuminance pour spécifier seulement la lumière incidente. Illuminance et luminance sont typiquement mesurées en candelas par mètre carré (cd/m²). Valeurs approximatives pour sources courantes :

On voit l'énorme variation possible de lumière incidente, le diagramme ci-dessus étant en puissances de 10. Si une scène est inégalement éclairée par soleil direct et obstrué, cela seul peut grandement augmenter la gamme dynamique de la scène (comme apparent dans l'exemple du canyon au coucher de soleil avec falaise partiellement éclairée).

APPAREILS PHOTO NUMÉRIQUES

Bien que le sens de gamme dynamique pour une scène réelle soit simplement le ratio entre zones les plus claires et plus sombres (ratio de contraste), sa définition se complique pour les dispositifs de mesure comme appareils et scanners. Rappel du tutoriel sur les capteurs : la lumière est mesurée à chaque pixel dans une cavité ou puits (photosite). La taille de chaque photosite, et comment son contenu est mesuré, déterminent la gamme dynamique de l'appareil.

Niveau noir
(Limité par le bruit) Niveau blanc
(Photosite saturé) Niveau blanc plus bas
(Photosite faible capacité)

Les photosites peuvent être vus comme des seaux qui retiennent les photons comme de l'eau. Si le seau déborde, il est saturé et ne peut plus discerner les photons additionnels – définissant le niveau blanc de l'appareil. Pour un appareil idéal, son ratio de contraste serait le nombre de photons contenus par photosite, divisé par l'intensité lumineuse la plus sombre mesurable (un photon). Si chacun en tient 1000, le ratio serait 1000:1. Comme des photosites plus grands contiennent une plus grande plage de photons, la gamme dynamique est généralement plus élevée pour les reflex numériques comparés aux compacts (du fait de pixels plus grands).

Note technique : Dans certains appareils, il y a un réglage ISO bas étendu qui produit moins de bruit, mais diminue aussi la gamme dynamique. C'est parce que ce réglage surexpose l'image d'un stop complet, mais tronque ensuite les hautes lumières – augmentant le signal lumineux. Exemple : beaucoup de Canon ont un ISO 50 sous l'ISO 100 standard.

En réalité, les appareils grand public ne peuvent pas compter les photons individuels. La gamme dynamique est donc limitée par le ton le plus sombre où la texture n'est plus discernable ; on appelle cela le niveau noir. Le niveau noir est limité par la précision de mesure de chaque photosite, et donc limité dans l'obscurité par le bruit d'image. Donc, la gamme dynamique augmente généralement pour les ISO bas et les appareils avec moins de bruit de mesure.

Note technique : Même si un photosite pouvait compter les photons individuels, il serait encore limité par le bruit de photons. Le bruit de photons est créé par la variation statistique d'arrivée des photons, représentant un minimum théorique de bruit. Le bruit total est la somme du bruit de photons et du bruit de lecture.

Globalement, la gamme dynamique d'un appareil numérique peut être décrite comme le ratio de l'intensité lumineuse max mesurable (à saturation du pixel), à l'intensité min mesurable (au-dessus du bruit de lecture). L'unité la plus courante pour mesurer la gamme dynamique en photo numérique est le stop (f-stop), qui décrit la plage totale de lumière par puissances de 2. Un ratio de contraste 1024:1 peut donc aussi être décrit comme une gamme dynamique de 10 stops (puisque 2¹⁰ = 1024). Selon l'application, chaque stop peut aussi être appelé « zone » ou « eV ».

SCANNERS

Les scanners sont soumis au même critère saturation:bruit pour la gamme dynamique, mais décrit en termes de densité (D). C'est utile car conceptuellement similaire à comment les pigments créent les tons dans les médias imprimés :

Faible réflectance (Haute densité)	Forte réflectance (Basse densité)	Haute densité pigment (Ton plus sombre)	Basse densité pigment (Ton plus clair)

La gamme dynamique globale en densité est donc la densité pigmentaire max (Dmax) moins la densité min (Dmin). Contrairement aux puissances de 2 pour les stops, la densité utilise les puissances de 10 (comme l'échelle de Richter). Une densité de 3,0 représente donc un ratio de contraste 1000:1 (puisque 10³ = 1000).

Gamme dynamique de l'original
Gamme dynamique du scanner

Au lieu de lister la densité totale (Dmax - Dmin), les fabricants listent généralement juste Dmax, car Dmax - Dmin ≈ Dmax. C'est parce que contrairement aux appareils, le scanner a un contrôle total sur sa source lumineuse, assurant une saturation minimale des photosites.

Pour les hautes densités pigmentaires, les mêmes contraintes de bruit s'appliquent aux scanners qu'aux appareils (tous deux utilisent un réseau de photosites). Donc la Dmax mesurable est aussi déterminée par le bruit présent lors de la lecture du signal lumineux.

COMPARAISON

La gamme dynamique variant énormément, elle est communément mesurée sur une échelle logarithmique, comme les intensités de séismes sur l'échelle de Richter. Voici la gamme dynamique max mesurable (ou reproductible) pour plusieurs dispositifs en mesures préférées (stops, densité, ratio de contraste). Passez votre souris sur chaque option pour comparer :

Sélectionner la mesure pour la gamme dynamique :
stops (f-stops)	Densité	Ratio de contraste

Sélectionner les types à afficher :
Médias imprimés	Scanners	Appareils numériques	Dispositifs d'affichage

Notez l'énorme écart entre la gamme dynamique reproductible en impression, et celle mesurable par scanners et appareils. Pour comparer avec la gamme dynamique réelle d'une scène, celles-ci varient d'environ 3 stops pour un jour nuageux à réflectivité quasi uniforme, à 12+ stops pour un jour ensoleillé à réflectivité très inégale.

Attention en interprétant ces chiffres ; la gamme dynamique réelle est une forte fonction de la lumière ambiante pour les tirages et écrans. Tirages pas vus sous lumière adéquate peuvent ne pas donner leur pleine gamme, tandis que les écrans nécessitent une obscurité quasi totale pour réaliser leur plein potentiel – surtout les plasmas. Enfin, ces valeurs sont des approximations ; les valeurs réelles dépendent de l'âge, génération, gamme de prix, etc.

Attention : les ratios de contraste des dispositifs d'affichage sont souvent grandement exagérés, car il n'y a pas de standard fabricant pour les lister. Des ratios > 500:1 sont souvent juste le résultat d'un point noir très sombre, pas d'un point blanc plus lumineux. Pour cela, il faut regarder à la fois ratio de contraste et luminosité. Des ratios élevés (sans luminosité correspondante) peuvent être annulés par une simple bougie ambiante.

L'ŒIL HUMAIN

L'œil humain peut en fait percevoir une gamme dynamique plus grande qu'ordinairement possible avec un appareil. Si on considère les situations où notre pupille s'ouvre et se ferme pour la lumière variable, nos yeux voient sur une plage de près de 24 stops.

D'un autre côté, pour des comparaisons précises avec une seule photo (ouverture, vitesse, ISO constants), on ne peut considérer que la gamme dynamique instantanée (ouverture pupillaire inchangée). Cela serait similaire à regarder une région d'une scène, laisser nos yeux s'adapter, et ne pas regarder ailleurs. Pour ce scénario il y a beaucoup de désaccord, car la sensibilité et la gamme dynamique de l'œil changent selon la luminosité et le contraste. La plupart estiment 10-14 stops.

Le problème avec ces chiffres est que nos yeux sont extrêmement adaptables. Pour l'observation d'étoiles en lumière extrême (où nos yeux s'adaptent pour utiliser les bâtonnets pour la vision nocturne), nos yeux approchent des gammes dynamiques instantanées encore plus élevées (voir tutoriel « Perception des couleurs par l'œil humain »).

PROFONDEUR DE BITS & MESURE DE LA GAMME DYNAMIQUE

Même si votre appareil pouvait capturer une vaste gamme dynamique, la précision à laquelle les mesures continues sont traduites en valeurs numériques peut limiter la gamme 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 se décrit en bits de précision, similaire à la profondeur de bits des images numériques, bien qu'il ne faille pas confondre ces concepts. Le convertisseur A/N crée les valeurs pour le format RAW de l'appareil.

Précision en bits du convertisseur A/N	Ratio de contraste	Gamme dynamique
		stops (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

Note : Valeurs ci-dessus pour précision A/N seulement, ne pas utiliser pour interpréter fichiers 8 et 16 bits. De plus, valeurs théoriques max, assumant bruit non limitant, et s'appliquant seulement aux convertisseurs A/N linéaires.

Par exemple, 10 bits de précision tonale donnent une plage de luminosité possible 0-1023 (2¹⁰ = 1024 niveaux). En supposant que chaque nombre du convertisseur A/N est proportionnel à la luminosité réelle de l'image (le double de la valeur pixel = double luminosité), 10 bits ne peuvent encoder qu'un ratio de contraste 1024:1.

La plupart des appareils utilisent un convertisseur A/N 10-14 bits, donc leur gamme dynamique max théorique est 10-14 stops. Cependant, cette haute profondeur de bits ne fait qu'aider à minimiser la postérisation car la gamme dynamique totale est généralement limitée par le bruit. Similaire à comment une image haute profondeur de bits ne signifie pas nécessairement plus de couleurs, un appareil avec convertisseur A/N haute précision ne signifie pas nécessairement qu'il peut enregistrer une plus grande gamme dynamique. En effet, la gamme dynamique peut être vue comme la hauteur d'un escalier, la profondeur de bits comme le nombre de marches. En pratique, la gamme dynamique d'un appareil n'atteint même pas le maximum théorique du convertisseur A/N ; 8-12 stops est généralement tout ce qu'on peut attendre.

INFLUENCE DU TYPE D'IMAGE & COURBE TONALE

Les fichiers d'image numériques peuvent-ils réellement enregistrer la pleine gamme dynamique des appareils haut de gamme ? Il y a beaucoup de confusion sur internet sur la pertinence de la profondeur de bits sur la gamme dynamique enregistrable.

Il faut d'abord distinguer gamme dynamique enregistrable vs affichable. Même un JPEG 8 bits ordinaire peut concevablement enregistrer une gamme dynamique infinie – en assumant la bonne courbe tonale appliquée pendant la conversion RAW (voir tutoriel sur les courbes, motivation : gamme dynamique), et que le convertisseur A/N a la précision requise. Le problème est l'utilisabilité ; si trop peu de bits sont étalés sur une trop grande plage tonale, cela mène à la postérisation.

D'un autre côté, la gamme dynamique affichable dépend de la correction gamma ou courbe tonale implicite du fichier, ou utilisée par la carte vidéo et l'écran. Avec un gamma 2,2 (standard PC), il serait théoriquement possible d'encoder une gamme dynamique de près de 18 stops (voir tutoriel correction gamma, à venir). Encore une fois, cela souffrirait de postérisation sévère. La seule solution standard actuelle pour encoder une gamme dynamique quasi-infinie (sans postérisation visible) est d'utiliser des fichiers HDR (High Dynamic Range) dans Photoshop (ou autre logiciel supportant).