Comprendre la correction gamma

Le gamma est une caractéristique importante mais méconnue de pratiquement tous les systèmes d'imagerie numérique. Il définit la relation entre la valeur numérique d'un pixel et sa luminance réelle. Sans gamma, les tons capturés par les appareils numériques n'apparaîtraient pas comme nos yeux les voient (sur un écran standard). Aussi appelé correction gamma, encodage gamma ou compression gamma, mais tout cela désigne un concept similaire. Comprendre le gamma améliore la technique d'exposition et aide à tirer le meilleur de la retouche d'image.

POURQUOI LE GAMMA EST UTILE

1. Nos yeux ne perçoivent pas la lumière comme les appareils photo. Avec un capteur numérique, deux fois plus de photons = deux fois plus de signal (relation « linéaire »). Logique, non ? Ce n'est pas comme ça que marchent nos yeux. Nous percevons le double de lumière comme étant seulement une fraction plus brillante — et de plus en plus pour les intensités élevées (relation « non-linéaire »).

Perçu comme 50 % aussi brillant par nos yeux

Détecté comme 50 % aussi brillant par l'appareil

Voir tutoriel sur l'outil Courbes Photoshop si difficulté à lire le graphique.
Précision de la comparaison dépend d'un écran bien calibré à gamma 2.2.
Perception réelle dépend conditions de visionnage, peut être affectée par tons voisins.
Pour scènes très sombes (lumière stellaire), nos yeux redeviennent linéaires comme les capteurs.

Comparé à un capteur, nous sommes bien plus sensibles aux changements dans les tons sombres qu'aux changements similaires dans les tons clairs. Il y a une raison biologique : cela permet à notre vision de fonctionner sur une plus large gamme de luminances. Sinon, l'amplitude de luminosité extérieure typique serait écrasante.

Mais quel rapport avec le gamma ? Ici, le gamma traduit entre la sensibilité lumineuse de nos yeux et celle du capteur. Quand une image numérique est enregistrée, elle est donc « encodée en gamma » — pour que le double de valeur dans un fichier corresponde davantage à ce que nous percevrions comme deux fois plus brillant.

Note technique : Le gamma est défini par V_out = V_in^gamma, où V_out est la valeur de luminance de sortie et V_in la valeur d'entrée/réelle. Cette formule courbe la ligne bleue ci-dessus. Quand gamma<1, la ligne s'arque vers le haut, l'inverse pour gamma>1.

2. Les images encodées en gamma stockent les tons plus efficacement. Comme l'encodage gamma redistribue les niveaux tonaux plus près de notre perception, moins de bits sont nécessaires pour décrire une gamme tonale donnée. Sinon, un excès de bits décrirait les tons clairs (où le capteur est relativement plus sensible), et un manque décrirait les tons sombres (où il l'est moins) :

Note : Dégradé gamma ci-dessus montré avec valeur standard 1/2.2
Voir tutoriel sur la profondeur de bits pour le lien niveaux/bits.

L'encodage linéaire utilise trop peu de niveaux pour les tons sombres — tout en en ayant en excès pour les clairs. L'encodage gamma distribue les tons roughly uniformément sur toute la gamme (« uniformité perceptuelle »). Cela assure aussi que retouches, couleurs et histogrammes ultérieurs reposent sur des tons naturels et perceptuellement uniformes.

Mais les vraies images ont généralement au moins 256 niveaux (8 bits), assez pour des tons lisses et continus en tirage. Si l'encodage linéaire était utilisé, il faudrait 8x plus de niveaux (11 bits) pour éviter la posterisation.

FLUX GAMMA : ENCODAGE ET CORRECTION

Malgré ces avantages, l'encodage gamma ajoute une complexité au processus d'enregistrement et d'affichage. L'étape suivante est où la plupart se trompent, alors allez-y doucement. Une image encodée en gamma doit subir une « correction gamma » à l'affichage — ce qui la reconvertit en lumière de la scène originale. En d'autres termes, l'encodage gamma sert à l'enregistrement — pas à l'affichage. Heureusement, cette seconde étape (« gamma d'affichage ») est faite automatiquement par votre moniteur et carte vidéo. Le diagramme suivant montre comment tout s'imbrique :

1. Image dans l'espace sRGB (encode avec gamma ~1/2.2).
2. Gamma d'affichage = standard 2.2

1. Gamma du fichier image (Image Gamma). Appliqué par l'appareil ou le logiciel de développement RAW lors de la conversion en JPEG/TIFF standard. Redistribue les niveaux tonaux natifs du capteur en niveaux plus uniformes perceptuellement, optimisant l'usage de la profondeur de bits.

2. Gamma d'affichage (Display Gamma). Désigne l'influence nette de votre carte vidéo et écran, pouvant comporter plusieurs gammas. Son but principal : compenser le gamma du fichier — assurant que l'image ne soit pas irréalistement éclaircie à l'écran. Un gamma d'affichage plus élevé = image plus sombre avec plus de contraste.

3. Gamma système (System Gamma). Représente l'effet net de tous les gammas appliqués, aussi appelé « gamma de visualisation » (viewing gamma). Pour une reproduction fidèle, il devrait être proche d'une ligne droite (gamma = 1,0). Une ligne droite assure que l'entrée (scène originale) = sortie (lumière affichée à l'écran ou en tirage). Parfois, le gamma système est légèrement >1,0 pour améliorer le contraste, compensant les limites de gamme dynamique de l'affichage, conditions de visionnage non idéales, ou flare d'image.

GAMMA DU FICHIER IMAGE

Le gamma précis est généralement spécifié par un profil de couleur embarqué dans le fichier. La plupart des fichiers utilisent un gamma d'encodage de 1/2.2 (ex: sRGB, Adobe RGB 1998), la grande exception étant les fichiers RAW, qui utilisent un gamma linéaire. Mais les visualiseurs RAW les affichent généralement en supposant un gamma standard 1/2.2, sinon ils paraîtraient trop sombres :

Sans profil embarqué, un gamma standard 1/2.2 est généralement supposé. Fichiers sans profil embarqué : beaucoup de PNG, GIF, et certains JPEG créés avec « Enregistrer pour le Web ».

Note technique sur le gamma de l'appareil. La plupart des capteurs enregistrent linéairement, gamma supposé = 1,0, mais près des ombres/hautes lumières extrêmes ça peut ne pas tenir. Dans ce cas, le gamma du fichier peut combiner gamma d'encodage et gamma du capteur. Mais le gamma du capteur est généralement négligeable. Les fabricants peuvent aussi appliquer des courbes tonales subtiles, impactant le gamma du fichier.

GAMMA D'AFFICHAGE

C'est le gamma que vous contrôlez en calibrant votre moniteur et en ajustant le contraste. Heureusement, l'industrie a convergé vers un gamma d'affichage standard de 2,2, pas besoin de s'inquiéter des avantages/inconvénients de différentes valeurs. Les vieux Mac utilisaient 1,8, rendant les images non-Mac plus claires qu'un PC typique, mais ce n'est plus le cas.

Rappel : le gamma d'affichage compense le gamma du fichier, et le résultat net est le gamma système/global. Pour un fichier encodé standard (—), changer le gamma d'affichage (—) aura l'impact global suivant (—) :

Diagrammes supposent votre écran calibré à gamma standard 2,2.
Rappel : gamma fichier (—) + gamma affichage (—) = gamma système global (—). Notez comme les valeurs gamma plus hautes courbent la courbe rouge vers le bas.

Si les graphiques sont difficiles, pas de panique ! Mieux vaut d'abord comprendre comment les courbes tonales impactent luminosité et contraste. Sinon, regardez juste les portraits pour une compréhension qualitative.

Comment lire les graphiques. La 1ère image (gauche) s'éclaircit beaucoup car le gamma fichier (—) n'est pas corrigé par le gamma affichage (—), donnant un gamma système (—) qui courbe vers le haut. 2ème image : le gamma affichage ne corrige pas totalement, gamma système courbe encore un peu vers le haut (éclaircit légèrement). 3ème : gamma affichage corrige exactement le gamma fichier, gamma système linéaire. 4ème : gamma affichage sur-compense, gamma système courbe vers le bas (assombrit l'image).

Le gamma d'affichage global comprend en fait (i) le gamma natif du moniteur/LCD et (ii) toute correction gamma appliquée dans l'écran ou par la carte vidéo. Mais l'effet de chacun dépend fortement du type d'affichage.

Moniteurs CRT. Par un hasard d'ingénierie, le gamma natif d'un CRT est 2,5 — presque l'inverse de nos yeux. Les valeurs d'un fichier encodé gamma pouvaient être envoyées direct à l'écran et seraient auto-corrigées, paraissant presque OK. Mais une petite correction gamma ~1/1,1 est nécessaire pour atteindre un gamma d'affichage global de 2,2. Généralement déjà réglé par défaut, mais ajustable lors de la calibration.

Moniteurs LCD. Moins chanceux ; atteindre un gamma 2,2 demande souvent des corrections substantielles, et ils sont bien moins constants que les CRT. Les LCD nécessitent une table de correspondance (LUT / look-up table) pour assurer que les valeurs d'entrée soient affichées avec le gamma d'affichage voulu (entre autres). Voir tutoriel sur la calibration moniteur : tables de correspondance.

Note technique : Le gamma d'affichage est parfois confus car utilisé indifféremment avec « correction gamma », puisqu'il corrige le gamma fichier. Mais les valeurs données ne sont pas toujours équivalentes. La correction gamma est parfois spécifiée en termes du gamma d'encodage qu'elle vise à compenser — pas le gamma réel appliqué. Ex: une « correction gamma de 1,5 » applique souvent un gamma réel de 1/1,5, car 1/1,5 annule 1,5 (1,5 × 1/1,5 = 1,0). Une valeur de correction gamma plus haute peut donc éclaircir l'image (l'inverse d'un gamma d'affichage plus haut).

AUTRES NOTES ET LECTURES COMPLÉMENTAIRES

Points importants et clarifications :

• Gamme dynamique. En plus d'assurer l'usage efficace des données, l'encodage gamma augmente aussi la gamme dynamique enregistrable pour une profondeur de bits donnée. Le gamma peut aussi aider un affichage/imprimante à gérer sa gamme dynamique limitée (vs scène originale) en améliorant le contraste.
• Correction gamma. Terme fourre-tout pour quand le gamma est appliqué pour compenser un gamma antérieur. Mieux vaut l'éviter si le type spécifique peut être nommé.
• Compression et expansion gamma. Désignent les cas où le gamma appliqué est <1 ou >1. Le gamma fichier = compression, gamma affichage = expansion.
• Applicabilité. Strictement, le gamma désigne une courbe tonale suivant une loi de puissance simple (V_out = V_in^gamma), mais souvent utilisé pour décrire d'autres courbes. Ex: l'espace sRGB est linéaire à très basse luminosité, puis courbe à luminosité plus haute. Ni la courbe ni la région linéaire ne suivent une loi de puissance standard, mais le gamma global est approximé à 2,2.
• Le gamma est-il requis ? Non, des images RAW à gamma linéaire apparaîtraient comme nos yeux les ont vues — mais seulement si affichées sur un écran à gamma linéaire. Cela annulerait l'efficacité du gamma pour enregistrer les niveaux tonaux.

Pour approfondir :

• Techniques d'exposition numérique : Exposer à droite, Écêtage & Bruit
  Pourquoi le gamma et les fichiers RAW linéaires influencent l'exposition optimale.
• Comment calibrer votre moniteur pour la photographie
  Comment régler précisément le gamma d'affichage de votre ordinateur.