introduction à la dynamique de son capteur...
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Introductionàladynamiquedesoncapteurd’APN
Tabledesmatières
1 INTRODUCTION 21.1 QU’ESTQU’UNCAPTEUR? 21.2 QU’ESTCEQUELADYNAMIQUED’UNCAPTEUR? 31.3 QU’ESTCEQUEDYNAMIQUED’UNCAPTEURPHOTO? 41.4 ECHELLEDESDYNAMIQUESDENOSIMAGES 61.5 2CASDEFIGURED’UNCAPTEURQUISAISIEUNESCENE: 71.6 POURQUOIMESURERLADYNAMIQUEDESONCAPTEUR? 8
2 MESUREDELADYNAMIQUED’UNCAPTEUR 102.1 CALCULSCOMPLIQUES;-) 112.2 EXERCICEDEMESUREENJPEGAVECLENIKONP7700 122.3 MESUREAVECLENIKOND700 14
3 UTILISATIONDELADYNAMIQUEDESONCAPTEUR:PHOTOSHDR 153.1 PRISEDEVUENUMERIQUE. 153.2 BRACKETING 16
4 DYNAMIQUEETISO,PASBONMENAGE! 17
ETENARGENTIQUE? 18
5 LIMITESDUCAPTEUR 195.1 PROBLEMELIEAUXFORTESDYNAMIQUES:LAPROFONDEURDEL’IMAGE. 195.2 LESDIFFERENTESLIMITESD’UNCAPTEURNUMERIQUE 20
6 CONCLUSION:ONFAITTOUSDUHDR 22
1 Introduction1.1 Qu’estqu’uncapteur?Capteur:dispositifquipermetdechangerd’unitéunegrandeurphysique.àLethermomètrepermetdetransformerdes°Cenmm.àLapelliculepermetdetransformerunelumièreendensitéchimique.
Un capteur numérique permet de transformer une grandeur physique en données informatiques (desoctetsdonc).àlecapteurdetempératurepermetdetransformerdes°Cenoctets.àLecapteurd’imagepermetdetransformerunelumièreenoctets.
1.2 Qu’estcequeladynamiqued’uncapteur?1ercas:Grandeurphysiquelinéaire(température,distance,…):
dynamiqued’uncapteur=maximum-minimum
Lethermomètreci-contreadoncunedynamiquede90°C.
2ndcas:Grandeurphysiquenonlinéaire(son,lumière,…):
𝐝𝐲𝐧𝐚𝐦𝐢𝐪𝐮𝐞 𝐝’𝐮𝐧 𝐜𝐚𝐩𝐭𝐞𝐮𝐫 = 𝒎𝒂𝒙𝒊𝒎𝒖𝒎𝒎𝒊𝒏𝒊𝒎𝒖𝒎
90°C
1.3 Qu’estcequedynamiqued’uncapteurphoto?Enphotoladynamiqueestlerapportentrelemaximumetleminimumdelumièrequelecapteurpeutsaisirdanslascèneàphotographier(puisqu’onpeutchangerlaquantitédelumièrequirentreaveclediaphragmeetletempsd’exposition)
àL’unitédelalumièreenphotoestl’IL(indicedeluminescence).EVenanglais
Ilvade0à20environavec:
- 3ILà ☾ (nuitoupiècetrèsfaiblementéclairée)- 16ILà ☼ (pleinsoleilavecdesombresdures).
+1ILà x2enquantitédelumière,etdonc-1ILà/2enquantitédelumière(donc10ILcorrespondentàunrapport1024et20ILàunrapportde1millionenviron).
NousvoilàendBavec1IL=6DB(tableaudeAsherBrownDurand).
15ILdanslenuage
4ILsouslepont
…l’œilhumainpourraitpercevoirdesimagesavecuncontrastede24IL(trouvésurinternetmaisj’émetsdesdoutes!).
Note: ladynamiqueducapteurnumériqueest indépendantedesasensibilité.Quel’ontravailleà100ISO,400ISOou1600ISO,sa dynamique sera la même. Par contre, sa dynamiqueexploitableseramoindredufaitdugainquiestaugmenté……onenparleplusbas!(sourceDxO)
1.4 Echelledesdynamiquesdenosimages
Note:Onpourrait souhaiterque lascèneretransmises’approchede lascèneréellevisualisée. Iln’enest rien,car lecapteurn’apas ladynamiquesuffisante,lesupportderetransmissionnonplus.Etquandbienmême,ceneseraitpasforcémentagréableàl’œil.
Plagedynamiqueabsoludanslanature:échellesemiouverte:ilyaunminimum(noirabsolu)maispasdemaximum:∞
Unescèneréellecomporteunepartiedecetteplageinfinie:Plagedynamiquedanslascèneàreproduire:échellefermée,entre3à20ILenviron
Lecapteurpeutcapterunéchantillonde laplageàcapter:Plagedynamique du capteur numérique: électronique (8 à 13 IL), etexploitable(5à10IL)
Miseà l’échelledelaplageluepourlafairerentrerdanslaplagede représentation (papier, écran): passage de 5 à 10 IL (et pluspourlesimagesHDR)àuneimagede5ILenviron(papier,écran)
Champdupossible
Scène
Numérisation
Retranscription
1.5 2Casdefigured’uncapteurquisaisieunescène:
Soit le capteur peut prendre toutes lesnuancesdelascèneàphotographier.C’estcequ’onaimerai.
Soit le capteur ne peut pas prendre touteslesnuancesdelascèneàphotographier.L’imageest alors «bouchée»ou«cramée»…oulesdeux.
Scène
Numérisation
Scène
Numérisation
1.6 Pourquoimesurerladynamiquedesoncapteur?
Biensur,toutlemondeconnaîtcettecharteparcœur;-).Donc,enarrivantdansunlieupourfairedesphotos,onsaittoutdesuitedequelledynamiqueonaurabesoin.Sinon,ilyaleposemètre…
Connaîtreladynamiquedesoncapteurpermetdesavoirsiouiounon,lascèneàphotographierpeutêtrephotographiée.
Surcettephotoci-contre, lecielest«cramé»alorsqu’ilcontientdesnuagesgris,et
l’intérieurdelapièceest«bouchée».L’arbreestbienexposé.
Ilfautaugmenterladynamiquedesonimage.Aveclesappareilsnumériques,deuxméthodes:
- enutilisantlebracketing,cequiobligeàprendreplusieursphotos,
- enconnaissantetexploitantladynamiquedesoncapteur.Les deux méthodes ne sont pas équivalentes, par exemple il n’est pas toujours
possibledeprendreplusieursimages.
Par contre, elles sont cumulatives: on peut utiliser le braketing ET exploiter ladynamiquedesoncapteur.
Jepeuxmesurerlalumièrelaplusforteetlaplusfaibleavecmonposemètre.Surcettescène:- ciel:12IL(cequicorrespondàuncielchargé…commeparhasard)
- coinssombresdelapièce:3IL…tientdonc!
La différence est donc de 9IL, ce qui fait un rapport 512 entre lemaximumde lumière et leminimumdelumière.
Maiscommentsavoirsimonappareilpeutfaireunephotoavecunedynamiquede9IL?Jeregardesurinternet,etjetrouveunpeun’importequoi,voirriendutout.
Et puis, la dynamique du capteur n’est pas forcément la dynamique exploitable réellement, àcausedubruitenparticulier(notionderapportsignal/bruit).
12IL 3IL
2 Mesuredeladynamiqued’uncapteurMéthode:Ilsuffit«juste»deprendretoujourslamêmephotoenfaisantvarierl’expositiond’unmaximumàl’autre.Entre«bouché»et«cramé»…
c’estladynamiqueducapteur
Note:Cesvaleurssontsubjectives,enfonctiondubesoin,etdugoûtdechacun.LadynamiqueenILestlenombredefoisqu’onaunrapport2entrelestempsd’expositionminetmax.
Attention:- travailenmodemanuel.Commeleréglageavecleplusd’amplitudeestletemps,nousallonsdoncfixerl’ouvertureetlesISO.Nouschangerons
letempspourfairevarierl’exposition.
- luminosité constante de la scène de référence. Si la luminosité extérieure est appelée à changer pendant lamanip (passage de nuages parexemple),préférerunelumièreartificielleconstante.
- Il faut utiliser une scène avec le moins de contraste possible, juste assez pour voir les détails. Une feuille d’essuie-tout présente cettecaractéristiqueetnecoutepascher!
Biensurcetteméthodemanquederigueurtechnique,maiselleal’avantagedepouvoirêtrefairen’importequand,n’importeoù,parn’importequi,etsansmatérielautrequ’unefeuilledesopalin…
Temps/8 Temps/4 Temps/2 Référenceenmodeauto Tempsx2 Tempsx4 Tempsx8
-3IL -2IL -1IL Décallage0IL +1IL +2IL +3IL
2.1 Calculscompliqués;-)LaformulepourconvertirunrapportMax/MinennombredeIL:
𝐷 = ln(𝑟)ln(2)
avec:
r=lerapportmax/min,
DladynamiqueexpriméeenIL(EVenanglais)
Dansl’autresensc’estplussimple:
𝑟 = 2!
2.2 ExercicedemesureenJPeGavecleNikonP7700Petitcapteuràrésultatassezfaible.
Réglage:M100ISOetF:4./JPeG.
Il faut ramener toutes les images à la même valeur pour pouvoir les «lire». Pour ça, «optimisation automatique» suffit amplement. Il s’agitd’extraitdel’image,donclaqualitéestforcémenttrèsmauvaise.
Tonssombres:
1/400
1/200s
1/100s
Mesuredu«grisneutre»à18%,c’estàdireaumilieudelaplage.Uneexpositionautomatiquedel’imageenmodeAdonneF:4,400ISO:1/10seconde
1/10s
(référencenonretouchée)
Tonsclairs:
¼s
½s
1seconde
Pourlalecture,oncherche:
- Danslesimagessombres,leszoneclairespasencorebouchées(oubruitéesselonlecas).Ici,l’imageau1/200sesttrèsconvenable.
- Danslesimagesclaires,leszonessombrespasencorecramées.Ici,l’imageau¼sesttrèsconvenable.Surcettescèneenparticulier,jepeuxraisonnablementutilisermoncapteurentre1/200set1/4s,cequifaitunrapport50.J’appliquelaformule
citéeplushautetj’obtiens:
D=5,6IL
Ladynamiquedemoncapteur,utiliséesanslepousserdanssesretranchements,peutêtreexploitéesur5,6ILà100ISO.
Cettemesureest assez subjective, en fonctiondenosbesoinsonpourrait considérer ladynamiqueacceptableentre1/400set½secondeet ladynamiqueseraitalors7,6IL.Anoterquel’ontrouveencherchantsurinternetunedynamiqued’environ8à10IL…àconditiond’accepterlebruitdanslesombres!J’enreparle
plusbas.
2.3 MesureavecleNikonD700Tonssombres:
1/1600s
1/1000
1/500
Mesuredu«grisneutre»à18%,c’estàdireaumilieudelaplage.Uneexpositionautomatiquedel’imageenmodeAdonneF:4,400ISO:1/10seconde
1/10s (référence)
Tonsclairs:
1/5s
1/3s
1/2
Ladynamiqueraisonnableestd’environ8ILà400ISO.Sileszonessombressontpeunombreuses,ouleszonesclairespeunombreuses,oupourraconsidérerladynamiquedoublec’estàdire9IL.Onest
loindes12ILannoncésdanslesspécificationsducapteur…etpourcause:Note:9 ILestunedynamiqueexploitable,12 IL le rapport entre lemaximumet leminimumabsoluque le capteurpeut saisir.Çane tientpas
comptedesautres limitesducapteur,enparticulier lebruitdans leszonessombres.A larigueur,surunemêmescène,si leszonesextrêmessontpetites,onpeuts’enapprocher.
3 Utilisationdeladynamiquedesoncapteur:PhotosHDR3.1 Prisedevuenumérique.Lapremièrechoseàsavoirest:Surlesimagesàfortcontraste,saufcertainseffetsvoulus(highkeys)leszonescraméessontmoinsacceptablesque
leszonesbouchées.Nousallonsdonc«caller»nosphotossur leszonesclaires.Leposemètresecale forcément sur«grismoyen»c’estàdireaumilieudesaplagedynamique.SurleD700,j’aiàpeuprèsunrapport5entrelemaxetlepointdemesure.
- jefaisunemesuresurlecieldanslemodequejepréfère(parexemplemodeA).- Jesousexposede5IL.Cen’estprobablementpasunhasardsileD700peutsousexposerde5IL,etleP7700de3IL…Ilestaussipossiblede
fairesesphotosenmodemanuel.- Jecliquettesurledéclencheur.
Avec mon posemètre préféré, je mesure le ciel (point 2) à 12IL, les coins
sombres(point3)à3IL.Ladynamiquenécessaireestdonc9IL.
- Onvoitlesnuagesdansleciel- Onvoitbienl’intérieurdelapièce.- Le reflet de l’ampoule (point 1) est difficile àmesurer,mais on accepte une
saturationducapteursurcettepetitezone.- Leszonesbouchées (parexemplezone4) restent suffisammentpetitespour
quel’ambiancedelascèneressortebien.Ilestbiensurpossibledes’attarderdavantagedansmonlogicielpréférépour
faireressortirtelleoutellepartiedelaphoto.Lebruitrestecontenu.Ilestaussisurpossibledesecallersurlazonesombredel’imagesileszones
craméessontpréférablesauxzonesbouchées. Etsionaugmentaitencoreladynamique?
3.2 BracketingGraceaubracketing, ilestpossiblededépasser ladynamiqueaffichéedeson
capteur sur une même image. En gros, il faut veiller à ce que l’écart entre lesimagesnedépassepas½deladynamiquedesoncapteur,voirmoins.
Sur le D700, je peux prendre 9 images séparées de 1IL chacune, ce quim’autorise une dynamique sur une prise de vue d’environ 17 IL… de quoi voirvenir(engrosjefais8+9).
Ilfautensuiteunlogicieldédiépourréassemblerlesimages.Certainsappareilsproposentcettefonctionnalitéeninterne.
4 DynamiqueetISO,pasbonménage!LesISO,c’estniplusnimoinsqu’uneamplificationdusignalélectriquequisortducapteur.Donc,onamplifietout…mêmelebruit.Onnoteraquele
noirrestelenoir,etonamplifielalumièrequirentre.Achaquefoisqu’onamplifiepar2,ladynamiqueestdoncdiviséepar2!
PourdiminuerlebruitauxfortesvaleursISO,ilfautdonclediminuerauxfaiblesvaleurs.
Noir
Blanc 200ISO 400ISO 800ISO 1600ISO 3200ISO
X2X2 X2 X2
X16
Leniveaudubruitesta
ussimultipliépar2àc
haquefois!
Dynamiqueà3200ISO
Dynamique
à200ISO
Imagerendue
Etenargentique?Ladynamiqued’unepelliculeestdirectementliéeàsasensibilité,le0étanttoujoursle0.En
numérique,lavaleurISOestungain(=uneamplification).Enargentique,c’estunesensibilité,autrementdit…uneplagedynamique!). Pour fairede laHDRen argentique, il suffit doncdeprendreunepelliculeplussensible…Unepelliculede400ISOaunedynamiqued’environ15IL.Le grain argentique a une distribution différente du bruit numérique, et (presque)indépendantedesonexposition.LanotiondeHDRn’existedoncpasvraiment.Deplus,ladynamiquedépenddelaprisedevue,delafaçondontondéveloppe,dutypede
film,dufaitdelapousserounon,bref.
Lescourbesnementionnentpasdequantité…On en déduit que la dynamique est supérieure, mais c’est compliqué de la connaître à
l’avance.
L’imageci-dessousestpriseausténopé,encalculantl’exposition«aupifomètre»etprésentecependant une dynamique qui s’étend du ciel ensoleillé d’Ardèche(16IL) à l’intérieur de lagrange(max5IL):aumoins11ILdedynamique!(IlfordHP5+).
5 Limitesducapteur5.1 Problèmeliéauxfortesdynamiques:laprofondeurdel’image.Laprofondeurd’uneimageestsa«résolutionennombredecouleurs».Sijereprendsl’exempleduthermomètre,onsaitqu’ilaunedynamiquede90°C.Maisquelestle«pas»demesure?Sil’écartminimumentre2
mesuresest:
- 10°C:sarésolutionestinsuffisantepourl’utilisertouslesjours.- 1°C,c’estparfait.- 1/10°C,c’estinutilepourlaplupartdesusages…donctropcher.
Attention:sarésolutionpeutêtrede1/10°Cmaissaprécisionde½°C…Danscecas,onvousvenddubruit!
Pouruncapteurnumérique(parexempleunthermomètrenumérique),sarésolutionest:
𝑟é𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛 = !"#$%&'()!!"#$%& !" !"#$
Donc,sionpeutmesurer90°Cavecuncapteur,admettons8bits,çanousfaitunerésolutionde90/2^8=0,35°C.Sicethermomètreestutilisécommethermostatd’unchauffagedemaison,c’estsuffisant.
Pouruneimage,larésolutionsemesureenbitsparcanal(couleur).Silecapteuraunedynamiquede12ILetunerésolutionde12bits,onfaitlecalculsuivant:
𝑟é𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑!𝑢𝑛 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑒𝑢𝑟 = 12 𝐼𝐿2!" !"#$ ≈
1340 𝐼𝐿
Autrementdit0,0029IL…onestpasmal.
LeformatRAWpermetd’enregistrer l’imageaveccetteprofondeur.Sionvoulait l’enregistrerauformatJPeG,onserait limitéà8bitsparcanal,c’estàdire0,047ILderésolution…16foisplus…dequoivoirapparaîtredes«aplats»decouleurs.Unpeucommesivotrethermomètrevousdisaitqu’ilfait20°Centre15et25°C!
Lorsquel’onveutexploiterunmaximumdedynamiquedesoncapteur,ilfautdonc,etc’estimpératif,stockersesphotosenRAW.
5.2 Lesdifférenteslimitesd’uncapteurnumérique
Fonctiondetransfertidéale:Larésolutionestgrandeetlamesureestfidèleàlaréalité.
Résolutiontropfaible:suruneimage,onvoitdesaplatsdecouleurs.
Dynamiquetropfaible:laplagedemesureducapteuresttropfaible,cequientrainedessaturationsdanslesvaleursextrêmeshautesoubasses.Enphoto:Saturationdansleszonesbasse:laphotoestdite«bouchée»Saturationdansleszoneshautes:laphotoestdite«cramée»
0
5
10
15
20
0 10 20 30
Erreurderépétabilité:Pourunemêmevaleuranalogique,plusieursmesuresdonnerontdesrésultatsdifférents.Cetteerreurestplus
importanteversleszonesextrêmes(surtoutleszonessombressuruncapteurd’image)ets’appellelebruit.Enphoto,cettemêmemesureavecdesrésultatsdifférentspeutêtredespixelscôteàcôte.Onaalorsdeszonesbruitées,surtoutdansleszonessombresàlalimitedelasaturationbasselorsquel’onaugmentelegain(enISO).Cebruitestgénéréparplusieursphénomènesphysiques,dontlatempératureducapteur.Onconsidèredonclarésolutionducapteurinexploitabledanssatotalité:uncapteur12bitsserautilisésur10
bitsréels,les2bitslesmoinssignificatifs(chiffresdedroite)nestockentquedubruit.Sur les appareils compacts, le capteur est toujours sous tension. Il chauffedoncdavantage et génère
plusdebruit…
Nonlinéarité:Pourunemêmevariationdelumière,iln’yaurapaslamêmevariationdanslamesureenfonctiondenotrepositionsurlacourbe.Cetteerreurestcorrigéeparlelogicieldel’appareilphoto,ellen’estdoncpassignificative.
Deceslimitations,onpeutendéduire:
- laplagedynamiquefait3ILdemoinsqu’annoncé(surleD700:9ILaulieude12IL),soit25%de«gratté»surlesextrémitésdesplagesducapteur.
- Unepertederésolutionde2bitsenviron,quiserontdubruitsur(presque)toutelaplage.Moralité:l’imagepourraitdoncêtrecodéesur8bits/couleurenétantbienoptimisée!
6 Conclusion:onfaittousduHDRSansseprendrelatête,ilestintéressantdeconnaitreleslimitesdesoncapteur.Ceslimitesserontrégulièrementatteintes,parcequelanatureque
nousphotographionsn’apasdelimite,justement.
Lorsquenousavonsletemps,ilestaussitrèsintéressantdefairequelquesmesuresdelumièreavantdeprendrelaphoto.C’estunepratiquequel’onaoubliée,alorsquenosappareilsontperduendynamiqueaveclenumérique.Sionconnaitlescapacitésdenotreappareil,etquel’onprendquelquesmesuresdelumièredelascène,onarriverarapidementàdesphotosoùla
dynamiqueducapteurestpleinementexploitée,etcependantsuffisante.
Le HDR pour «Imagerie à grande gamme dynamique» (en français) n’est pas juste un truc à lamode: c’est prendre une photo en exploitantpleinementsonappareilpourquelascènenesoitnicramée,nibouchée,commeonlefaisaitnaturellementautrefois,sanseffetdemode,enmasquantsousl’agrandisseur,etsansseprendrelatête.
Enjoy!
Jonathan
Documentrévision:06/10/2017JonathanZéhnné–[email protected]://jumpifnotzero.free.fr