JACQUES GAUDIN

ALAIN SARLAT

GILLES ARNAUD

YANN CAINJO

BAPTISTE MAGNIEN

EacuteTUDE SUR LES CARACTEacuteRISTIQUES

DES CAPTEURS

Groupe de travail du Deacutepartement Image de la CST

32

La CST est la premiegravere association de techniciens du cineacutema et de lrsquoaudiovisuel

franccedilaise Neacutee en 1944 elle deacutefend le travail collectif et promeut lrsquoexcellence

technique pour permettre lrsquoaboutissement de la vision de lrsquoeacutequipe artistique La

CST respecte cette vision et en garantit la traduction sur lrsquoeacutecran pour lrsquoensemble

des spectateurs

Agrave ce titre la CST accompagne les salles de cineacutema qui souhaitent proposer une

expeacuterience optimale agrave leurs spectateurs et assure la Direction technique de plu-

sieurs festivals dont le Festival International du Film de Cannes La CST est eacutegale-

ment devenue la maison des associations pour la quasi totaliteacute des associations

de professionnels de lrsquoindustrie cineacutematographique

Les actions de la CST se traduisent enfin par lrsquoorganisation de groupes de tra-

vail pour deacutefinir les bonnes pratiques professionnelles qui deviendront des

recommandations techniques parfois mecircme adopteacutees en normes et standards

Ces travaux se deacuteroulent au sein des cinq Deacutepartements de la CST Production

Reacutealisation Son Post-production Diffusion-Distribution-Exploitation et le Deacuteparte-

ment Image qui a reacutealiseacute cette preacutesente eacutetude

La CST est une organisation principalement financeacutee par le CNC

CST ndash COMMISSION SUPEacuteRIEURE TECHNIQUE DE LrsquoIMAGE ET DU SON

2224 AVENUE DE SAINT-OUEN ndash 75018 PARIS

wwwcstfr

Deacuteleacutegueacute geacuteneacuteral Baptiste Heynemann

Responsable de la communication Myriam Guedjali

Maquette fabiennebiswixsitecomgraphismeFeacutevrier 2019

EacuteTUDE SUR LES CARACTEacuteRISTIQUES

DES CAPTEURS

Groupe de travail du Deacutepartement Image de la CST

54

SOMMAIRE

1 INTRODUCTION 6

A BUT DE CETTE EacuteTUDE 6

B PROTOCOLES ENVISAGEacuteS 10

2 DONNEacuteES DU PROBLEgraveME 11

A IMPORTANCE DE LA TAILLE DU CAPTEUR 11

1 Rendement quantique 122 Lrsquoeacutetendue utile 123 Profondeur de champ 134 Bruit 155 Diffraction 156 Fonction de transfert de modulation (FTM) 17

B TECHNOLOGIES DES CAPTEURS 17

1 CCD et CMOS 172 FSI et BSI 18

C SEacutePARATION DES PRIMAIRES 20

1 Seacuteparation agrave prismes (tri CCD ou tri CMOS) 202 Seacuteparation par matrice de filtres coloreacutes (mono capteur) 203 Importance du deacutematriccedilage 21

3 MIRES DE CONTRASTE TYPES DE FICHIER ET OUTILS DrsquoANALYSE 22

A LES MIRES DE CONTRASTE 22

1 Les mires Xyla 222 Arri Dynamic Range Test Chart DRTC-1 223 TE264 224 La mire reacutealiseacutee par Alain Sarlat agrave lrsquoEacutecole Nationale Louis Lumiegravere 22

B LES DIFFEacuteRENTS TYPES DE FICHIER RAW 23

1 Les fichiers DNG 232 Les fichiers Arri RAW 243 Les fichiers RAW Panasonic 244 Les fichiers RAW SONY 245 Les fichiers RAW RED 27

C LES OUTILS LOGICIELS DrsquoANALYSE UTILISABLES 27

1 Matlab 272 GNU Octave 273 RAW Digger 27

4 MEacuteTHODOLOGIE 28

A MEacuteTHODES DE LA NORME ISO 12232 28

1 Meacutethode du plan focal 292 Meacutethode baseacutee sur la moyenne arithmeacutetique

de la luminance de la scegravene 29

B MEacuteTHODE DEacuteVELOPPEacuteE PAR ALAIN SARLAT 30

1 Estimation de la sensibiliteacute 322 Estimation de lrsquoeacutetendue utile 33

C MEacuteTHODE DEacuteVELOPPEacuteE PAR BAPTISTE MAGNIEN 36

1 Dispositif expeacuterimental 362 Tableaux et courbes 373 Analyses et interpreacutetations 40

D DEacuteTERMINATION DE LA SENSIBILITEacute SELON LES DONNEacuteES CONSTRUCTEUR 42

E LA CARACTEacuteRISATION DU BRUIT 42

F LA MESURE DE REacutePONSE SPECTRALE 44

5 CONCLUSION 50

6 ANNEXES 51

A INDICES EV IL 51

1 Calcul de lrsquoindice EV pour 100 ISO 512 Rapport de contraste EV et lineacuteaire 513 Table des indices EV pour 100 ISO (Sekonic Cine Master) 52

B CALCUL DE LA SENSIBILITEacute ISO DrsquoUN FILM NEacuteGATIF COULEUR 53

C NORME ISO 12231 VOCABULAIRE 53

1 Gain 532 Fonction increacutementale du gain 533 Increacutementation du signal de sortie 534 Bruit de sortie 545 Limite drsquoexposition maximale 546 Limite drsquoexposition minimale 54

D PIXEL 54

7 BIBLIOGRAPHIE 55

76

traitement en postproduction crsquoest le mode RAW Il va de soi que crsquoest cette

seconde option qui permettra de juger de toutes les qualiteacutes drsquoune cameacutera le

mode videacuteo constituant un nivellement de la dynamique et de la richesse de

lrsquoimage

En sortie du capteur la lecture analogique des tensions issues des photosites est

convertie en valeurs numeacuteriques et codeacutee Agrave partir de lagrave lrsquoenregistrement du

signal peut se faire de deux maniegraveres

Lrsquoinformation est totalement laquo deacuteveloppeacutee raquo dans la cameacutera encodeacutee en

mode composantes et compresseacutee dans un fichier videacuteo [figure 1]

Lrsquoinformation est eacutecrite plus ou moins directement soit en lineacuteaire soit en log

avec parfois mecircme une compression dans un fichier dit RAW [figure 2] La ca-

meacutera renferme ainsi une partie du labo sans que la documentation soit toujours

claire agrave ce sujet La lecture peut srsquoeffectuer ensuite soit dans un flux videacuteo nu-

meacuterique qui transmet en reacutealiteacute des valeurs binaires soit en lisant directement les

valeurs numeacuteriques du fichier RAW

Figure 1 Flux videacuteo traditionnel

Figure 2 Enregistrement RAW

A But de cette eacutetude Avec lrsquoavegravenement du numeacuterique il est devenu indispensable pour le directeur

photo de connaitre les caracteacuteristiques du capteur de la cameacutera qursquoil utilise

Pour eacutevaluer ces caracteacuteristiques diffeacuterentes approches peuvent ecirctre envisageacutees

Soit une approche subjective baseacutee sur une scegravene avec une silhouette lumiegravere

permettant drsquoeacutevaluer un rendu artistique mais qui ne vaut que pour des essais

particuliers

Soit une approche objective baseacutee sur des mesures et permettant de tracer

une courbe sensitomeacutetrique aiseacutement diffusable

Le but de cette eacutetude est finalement modeste comment reacutealiser pour un capteur

lrsquoeacutequivalent de la courbe caracteacuteristique que nous reacutealisions en argentique

Cette courbe apportait agrave lrsquoopeacuterateur des informations indispensables eacutetendue

utile sensibiliteacute latitude de pose deacutefauts eacuteventuels Ces informations nrsquoeacutetaient

eacutetablies que pour un couple stock drsquoeacutemulsionlabo et pouvaient donc varier

avec un autre stock drsquoeacutemulsion du mecircme modegravele et de la mecircme marque et un

autre labo voire le mecircme labo quelques mois plus tard

Que signifie laquo sensibiliteacute de capteur raquo et peut-on utiliser sa cellule pour poser une

image numeacuterique

Alors qursquoen argentique il suffisait de changer drsquoeacutemulsion pour changer de type

de capteur en numeacuterique nous sommes pour ainsi dire prisonniers des caracteacuteris-

tiques du capteur eacutetendue utile sensibiliteacute et colorimeacutetrie Il est donc indispens-

able de les deacutefinir rigoureusement Le parallegravele avec la sensitomeacutetrie argentique

constitue donc notre base de deacutepart pour deacuteterminer un protocole qui nous

donnera des reacutesultats objectifs

Par ailleurs le grain drsquoune eacutemulsion constitue une trame aleacuteatoire tandis que la

structure des photosites drsquoun capteur constitue un reacuteseau geacuteomeacutetrique reacutegu-

lier ce qui peut provoquer des effets indeacutesirables de moirage surtout en lrsquoab-

sence drsquoun filtre anti-aliasing adapteacute Il faut donc se faire agrave lrsquoideacutee que la videacuteo

numeacuterique constitue un meacutedia diffeacuterent de lrsquoargentique et de la videacuteo tradition-

nelle mecircme si des rappels et des similitudes entre les uns et les autres existent

Les cameacuteras numeacuteriques peuvent ecirctre utiliseacutees principalement de deux

maniegraveres soit pour produire un enregistrement videacuteo encodeacute en composantes

videacuteo numeacuteriques et compresseacute avec toutes les restrictions que cela comporte

soit pour produire une image plus riche de type laquo cineacutema raquo qui demandera un

1 INTRODUCTION1

98

Lrsquoenregistrement RAW permet de preacuteserver au maximum les informations de

lrsquoimage en eacutevitant de les deacutegrader par un traitement dans la cameacutera celle-ci

nrsquoeacutetant rien drsquoautre qursquoune station graphique portable et donc tregraves optimiseacutee

car devant traiter en temps reacuteel un grand nombre drsquoopeacuterations deacutematriccedilage

matriccedilage primaire (matrix) gammas knee correction de contours codage

videacuteo composantes (YCbCr) compression etc En mode RAW toutes ces opeacutera-

tions seront traiteacutees a posteriori sur des stations graphiques drsquoeacutetalonnage plus

efficaces infiniment plus souples et moins limiteacutees en ressources et travaillant en

RGB et non pas en codage composantes YrsquoCb Cr codage destructeur de lrsquoes-

pace colorimeacutetrique qui se trouve en effet diviseacute par 6 [figure 3] Ce codage

inventeacute au deacutepart pour la teacuteleacutevision est peu adapteacute aux exigences de lrsquoeacutetalon-

nage du cineacutema numeacuterique

Figure 3 Illustration de la reacuteduction de lrsquoespace de quantification drsquoune image codeacutee en composantes videacuteo Toutes les parties hachureacutees du cube de quantification Y Cb Cr correspondent agrave de lrsquoespace perdu RGB 8 bits 16 777 216 couleurs YCbCr 8 bits 2 728 790 couleurs

Les buts de cette eacutetude sont donc les suivants

1 Deacuteterminer lrsquoeacutetendue utile du capteur

2 Caracteacuteriser le rapport signal sur bruit

3 Deacuteterminer la sensibiliteacute du capteur

4 Deacuteterminer la sensibiliteacute spectrale du capteur et la Tempeacuterature de Couleur

geacuteneacuterant le moins de bruit

La meacutethode utiliseacutee srsquoinspire de la sensitomeacutetrie argentique exposition du cap-

teur agrave travers une mire de contraste pour reacutealiser un sensitogramme numeacuterique

releveacute de valeurs traceacute de la courbe puis interpreacutetation de cette courbe

Accessoirement cette eacutetude cherche eacutegalement agrave tordre le cou agrave certaines

ideacutees reccedilues et agrave faire bouger les lignes par rapport agrave certains fabricants qui

ne communiquent qursquoassez peu voire pas du tout sur la structure de leur

fichier RAW

Lien MacLien PC

1

32

La CST est la premiegravere association de techniciens du cineacutema et de lrsquoaudiovisuel

franccedilaise Neacutee en 1944 elle deacutefend le travail collectif et promeut lrsquoexcellence

technique pour permettre lrsquoaboutissement de la vision de lrsquoeacutequipe artistique La

CST respecte cette vision et en garantit la traduction sur lrsquoeacutecran pour lrsquoensemble

des spectateurs

Agrave ce titre la CST accompagne les salles de cineacutema qui souhaitent proposer une

expeacuterience optimale agrave leurs spectateurs et assure la Direction technique de plu-

sieurs festivals dont le Festival International du Film de Cannes La CST est eacutegale-

ment devenue la maison des associations pour la quasi totaliteacute des associations

de professionnels de lrsquoindustrie cineacutematographique

Les actions de la CST se traduisent enfin par lrsquoorganisation de groupes de tra-

vail pour deacutefinir les bonnes pratiques professionnelles qui deviendront des

recommandations techniques parfois mecircme adopteacutees en normes et standards

Ces travaux se deacuteroulent au sein des cinq Deacutepartements de la CST Production

Reacutealisation Son Post-production Diffusion-Distribution-Exploitation et le Deacuteparte-

ment Image qui a reacutealiseacute cette preacutesente eacutetude

La CST est une organisation principalement financeacutee par le CNC

CST ndash COMMISSION SUPEacuteRIEURE TECHNIQUE DE LrsquoIMAGE ET DU SON

2224 AVENUE DE SAINT-OUEN ndash 75018 PARIS

wwwcstfr

Deacuteleacutegueacute geacuteneacuteral Baptiste Heynemann

Responsable de la communication Myriam Guedjali

Maquette fabiennebiswixsitecomgraphismeFeacutevrier 2019

EacuteTUDE SUR LES CARACTEacuteRISTIQUES

DES CAPTEURS

Groupe de travail du Deacutepartement Image de la CST

54

SOMMAIRE

1 INTRODUCTION 6

A BUT DE CETTE EacuteTUDE 6

B PROTOCOLES ENVISAGEacuteS 10

2 DONNEacuteES DU PROBLEgraveME 11

A IMPORTANCE DE LA TAILLE DU CAPTEUR 11

1 Rendement quantique 122 Lrsquoeacutetendue utile 123 Profondeur de champ 134 Bruit 155 Diffraction 156 Fonction de transfert de modulation (FTM) 17

B TECHNOLOGIES DES CAPTEURS 17

1 CCD et CMOS 172 FSI et BSI 18

C SEacutePARATION DES PRIMAIRES 20

1 Seacuteparation agrave prismes (tri CCD ou tri CMOS) 202 Seacuteparation par matrice de filtres coloreacutes (mono capteur) 203 Importance du deacutematriccedilage 21

3 MIRES DE CONTRASTE TYPES DE FICHIER ET OUTILS DrsquoANALYSE 22

A LES MIRES DE CONTRASTE 22

1 Les mires Xyla 222 Arri Dynamic Range Test Chart DRTC-1 223 TE264 224 La mire reacutealiseacutee par Alain Sarlat agrave lrsquoEacutecole Nationale Louis Lumiegravere 22

B LES DIFFEacuteRENTS TYPES DE FICHIER RAW 23

1 Les fichiers DNG 232 Les fichiers Arri RAW 243 Les fichiers RAW Panasonic 244 Les fichiers RAW SONY 245 Les fichiers RAW RED 27

C LES OUTILS LOGICIELS DrsquoANALYSE UTILISABLES 27

1 Matlab 272 GNU Octave 273 RAW Digger 27

4 MEacuteTHODOLOGIE 28

A MEacuteTHODES DE LA NORME ISO 12232 28

1 Meacutethode du plan focal 292 Meacutethode baseacutee sur la moyenne arithmeacutetique

de la luminance de la scegravene 29

B MEacuteTHODE DEacuteVELOPPEacuteE PAR ALAIN SARLAT 30

1 Estimation de la sensibiliteacute 322 Estimation de lrsquoeacutetendue utile 33

C MEacuteTHODE DEacuteVELOPPEacuteE PAR BAPTISTE MAGNIEN 36

1 Dispositif expeacuterimental 362 Tableaux et courbes 373 Analyses et interpreacutetations 40

D DEacuteTERMINATION DE LA SENSIBILITEacute SELON LES DONNEacuteES CONSTRUCTEUR 42

E LA CARACTEacuteRISATION DU BRUIT 42

F LA MESURE DE REacutePONSE SPECTRALE 44

5 CONCLUSION 50

6 ANNEXES 51

A INDICES EV IL 51

1 Calcul de lrsquoindice EV pour 100 ISO 512 Rapport de contraste EV et lineacuteaire 513 Table des indices EV pour 100 ISO (Sekonic Cine Master) 52

B CALCUL DE LA SENSIBILITEacute ISO DrsquoUN FILM NEacuteGATIF COULEUR 53

C NORME ISO 12231 VOCABULAIRE 53

1 Gain 532 Fonction increacutementale du gain 533 Increacutementation du signal de sortie 534 Bruit de sortie 545 Limite drsquoexposition maximale 546 Limite drsquoexposition minimale 54

D PIXEL 54

7 BIBLIOGRAPHIE 55

76

traitement en postproduction crsquoest le mode RAW Il va de soi que crsquoest cette

seconde option qui permettra de juger de toutes les qualiteacutes drsquoune cameacutera le

mode videacuteo constituant un nivellement de la dynamique et de la richesse de

lrsquoimage

En sortie du capteur la lecture analogique des tensions issues des photosites est

convertie en valeurs numeacuteriques et codeacutee Agrave partir de lagrave lrsquoenregistrement du

signal peut se faire de deux maniegraveres

Lrsquoinformation est totalement laquo deacuteveloppeacutee raquo dans la cameacutera encodeacutee en

mode composantes et compresseacutee dans un fichier videacuteo [figure 1]

Lrsquoinformation est eacutecrite plus ou moins directement soit en lineacuteaire soit en log

avec parfois mecircme une compression dans un fichier dit RAW [figure 2] La ca-

meacutera renferme ainsi une partie du labo sans que la documentation soit toujours

claire agrave ce sujet La lecture peut srsquoeffectuer ensuite soit dans un flux videacuteo nu-

meacuterique qui transmet en reacutealiteacute des valeurs binaires soit en lisant directement les

valeurs numeacuteriques du fichier RAW

Figure 1 Flux videacuteo traditionnel

Figure 2 Enregistrement RAW

A But de cette eacutetude Avec lrsquoavegravenement du numeacuterique il est devenu indispensable pour le directeur

photo de connaitre les caracteacuteristiques du capteur de la cameacutera qursquoil utilise

Pour eacutevaluer ces caracteacuteristiques diffeacuterentes approches peuvent ecirctre envisageacutees

Soit une approche subjective baseacutee sur une scegravene avec une silhouette lumiegravere

permettant drsquoeacutevaluer un rendu artistique mais qui ne vaut que pour des essais

particuliers

Soit une approche objective baseacutee sur des mesures et permettant de tracer

une courbe sensitomeacutetrique aiseacutement diffusable

Le but de cette eacutetude est finalement modeste comment reacutealiser pour un capteur

lrsquoeacutequivalent de la courbe caracteacuteristique que nous reacutealisions en argentique

Cette courbe apportait agrave lrsquoopeacuterateur des informations indispensables eacutetendue

utile sensibiliteacute latitude de pose deacutefauts eacuteventuels Ces informations nrsquoeacutetaient

eacutetablies que pour un couple stock drsquoeacutemulsionlabo et pouvaient donc varier

avec un autre stock drsquoeacutemulsion du mecircme modegravele et de la mecircme marque et un

autre labo voire le mecircme labo quelques mois plus tard

Que signifie laquo sensibiliteacute de capteur raquo et peut-on utiliser sa cellule pour poser une

image numeacuterique

Alors qursquoen argentique il suffisait de changer drsquoeacutemulsion pour changer de type

de capteur en numeacuterique nous sommes pour ainsi dire prisonniers des caracteacuteris-

tiques du capteur eacutetendue utile sensibiliteacute et colorimeacutetrie Il est donc indispens-

able de les deacutefinir rigoureusement Le parallegravele avec la sensitomeacutetrie argentique

constitue donc notre base de deacutepart pour deacuteterminer un protocole qui nous

donnera des reacutesultats objectifs

Par ailleurs le grain drsquoune eacutemulsion constitue une trame aleacuteatoire tandis que la

structure des photosites drsquoun capteur constitue un reacuteseau geacuteomeacutetrique reacutegu-

lier ce qui peut provoquer des effets indeacutesirables de moirage surtout en lrsquoab-

sence drsquoun filtre anti-aliasing adapteacute Il faut donc se faire agrave lrsquoideacutee que la videacuteo

numeacuterique constitue un meacutedia diffeacuterent de lrsquoargentique et de la videacuteo tradition-

nelle mecircme si des rappels et des similitudes entre les uns et les autres existent

Les cameacuteras numeacuteriques peuvent ecirctre utiliseacutees principalement de deux

maniegraveres soit pour produire un enregistrement videacuteo encodeacute en composantes

videacuteo numeacuteriques et compresseacute avec toutes les restrictions que cela comporte

soit pour produire une image plus riche de type laquo cineacutema raquo qui demandera un

1 INTRODUCTION1

98

Lrsquoenregistrement RAW permet de preacuteserver au maximum les informations de

lrsquoimage en eacutevitant de les deacutegrader par un traitement dans la cameacutera celle-ci

nrsquoeacutetant rien drsquoautre qursquoune station graphique portable et donc tregraves optimiseacutee

car devant traiter en temps reacuteel un grand nombre drsquoopeacuterations deacutematriccedilage

matriccedilage primaire (matrix) gammas knee correction de contours codage

videacuteo composantes (YCbCr) compression etc En mode RAW toutes ces opeacutera-

tions seront traiteacutees a posteriori sur des stations graphiques drsquoeacutetalonnage plus

efficaces infiniment plus souples et moins limiteacutees en ressources et travaillant en

RGB et non pas en codage composantes YrsquoCb Cr codage destructeur de lrsquoes-

pace colorimeacutetrique qui se trouve en effet diviseacute par 6 [figure 3] Ce codage

inventeacute au deacutepart pour la teacuteleacutevision est peu adapteacute aux exigences de lrsquoeacutetalon-

nage du cineacutema numeacuterique

Figure 3 Illustration de la reacuteduction de lrsquoespace de quantification drsquoune image codeacutee en composantes videacuteo Toutes les parties hachureacutees du cube de quantification Y Cb Cr correspondent agrave de lrsquoespace perdu RGB 8 bits 16 777 216 couleurs YCbCr 8 bits 2 728 790 couleurs

Les buts de cette eacutetude sont donc les suivants

1 Deacuteterminer lrsquoeacutetendue utile du capteur

2 Caracteacuteriser le rapport signal sur bruit

3 Deacuteterminer la sensibiliteacute du capteur

4 Deacuteterminer la sensibiliteacute spectrale du capteur et la Tempeacuterature de Couleur

geacuteneacuterant le moins de bruit

La meacutethode utiliseacutee srsquoinspire de la sensitomeacutetrie argentique exposition du cap-

teur agrave travers une mire de contraste pour reacutealiser un sensitogramme numeacuterique

releveacute de valeurs traceacute de la courbe puis interpreacutetation de cette courbe

Accessoirement cette eacutetude cherche eacutegalement agrave tordre le cou agrave certaines

ideacutees reccedilues et agrave faire bouger les lignes par rapport agrave certains fabricants qui

ne communiquent qursquoassez peu voire pas du tout sur la structure de leur

fichier RAW

Lien MacLien PC

1

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SOMMAIRE

1 INTRODUCTION 6

A BUT DE CETTE EacuteTUDE 6

B PROTOCOLES ENVISAGEacuteS 10

2 DONNEacuteES DU PROBLEgraveME 11

A IMPORTANCE DE LA TAILLE DU CAPTEUR 11

1 Rendement quantique 122 Lrsquoeacutetendue utile 123 Profondeur de champ 134 Bruit 155 Diffraction 156 Fonction de transfert de modulation (FTM) 17

B TECHNOLOGIES DES CAPTEURS 17

1 CCD et CMOS 172 FSI et BSI 18

C SEacutePARATION DES PRIMAIRES 20

1 Seacuteparation agrave prismes (tri CCD ou tri CMOS) 202 Seacuteparation par matrice de filtres coloreacutes (mono capteur) 203 Importance du deacutematriccedilage 21

3 MIRES DE CONTRASTE TYPES DE FICHIER ET OUTILS DrsquoANALYSE 22

A LES MIRES DE CONTRASTE 22

1 Les mires Xyla 222 Arri Dynamic Range Test Chart DRTC-1 223 TE264 224 La mire reacutealiseacutee par Alain Sarlat agrave lrsquoEacutecole Nationale Louis Lumiegravere 22

B LES DIFFEacuteRENTS TYPES DE FICHIER RAW 23

1 Les fichiers DNG 232 Les fichiers Arri RAW 243 Les fichiers RAW Panasonic 244 Les fichiers RAW SONY 245 Les fichiers RAW RED 27

C LES OUTILS LOGICIELS DrsquoANALYSE UTILISABLES 27

1 Matlab 272 GNU Octave 273 RAW Digger 27

4 MEacuteTHODOLOGIE 28

A MEacuteTHODES DE LA NORME ISO 12232 28

1 Meacutethode du plan focal 292 Meacutethode baseacutee sur la moyenne arithmeacutetique

de la luminance de la scegravene 29

B MEacuteTHODE DEacuteVELOPPEacuteE PAR ALAIN SARLAT 30

1 Estimation de la sensibiliteacute 322 Estimation de lrsquoeacutetendue utile 33

C MEacuteTHODE DEacuteVELOPPEacuteE PAR BAPTISTE MAGNIEN 36

1 Dispositif expeacuterimental 362 Tableaux et courbes 373 Analyses et interpreacutetations 40

D DEacuteTERMINATION DE LA SENSIBILITEacute SELON LES DONNEacuteES CONSTRUCTEUR 42

E LA CARACTEacuteRISATION DU BRUIT 42

F LA MESURE DE REacutePONSE SPECTRALE 44

5 CONCLUSION 50

6 ANNEXES 51

A INDICES EV IL 51

1 Calcul de lrsquoindice EV pour 100 ISO 512 Rapport de contraste EV et lineacuteaire 513 Table des indices EV pour 100 ISO (Sekonic Cine Master) 52

B CALCUL DE LA SENSIBILITEacute ISO DrsquoUN FILM NEacuteGATIF COULEUR 53

C NORME ISO 12231 VOCABULAIRE 53

1 Gain 532 Fonction increacutementale du gain 533 Increacutementation du signal de sortie 534 Bruit de sortie 545 Limite drsquoexposition maximale 546 Limite drsquoexposition minimale 54

D PIXEL 54

7 BIBLIOGRAPHIE 55

76

traitement en postproduction crsquoest le mode RAW Il va de soi que crsquoest cette

seconde option qui permettra de juger de toutes les qualiteacutes drsquoune cameacutera le

mode videacuteo constituant un nivellement de la dynamique et de la richesse de

lrsquoimage

En sortie du capteur la lecture analogique des tensions issues des photosites est

convertie en valeurs numeacuteriques et codeacutee Agrave partir de lagrave lrsquoenregistrement du

signal peut se faire de deux maniegraveres

Lrsquoinformation est totalement laquo deacuteveloppeacutee raquo dans la cameacutera encodeacutee en

mode composantes et compresseacutee dans un fichier videacuteo [figure 1]

Lrsquoinformation est eacutecrite plus ou moins directement soit en lineacuteaire soit en log

avec parfois mecircme une compression dans un fichier dit RAW [figure 2] La ca-

meacutera renferme ainsi une partie du labo sans que la documentation soit toujours

claire agrave ce sujet La lecture peut srsquoeffectuer ensuite soit dans un flux videacuteo nu-

meacuterique qui transmet en reacutealiteacute des valeurs binaires soit en lisant directement les

valeurs numeacuteriques du fichier RAW

Figure 1 Flux videacuteo traditionnel

Figure 2 Enregistrement RAW

A But de cette eacutetude Avec lrsquoavegravenement du numeacuterique il est devenu indispensable pour le directeur

photo de connaitre les caracteacuteristiques du capteur de la cameacutera qursquoil utilise

Pour eacutevaluer ces caracteacuteristiques diffeacuterentes approches peuvent ecirctre envisageacutees

Soit une approche subjective baseacutee sur une scegravene avec une silhouette lumiegravere

permettant drsquoeacutevaluer un rendu artistique mais qui ne vaut que pour des essais

particuliers

Soit une approche objective baseacutee sur des mesures et permettant de tracer

une courbe sensitomeacutetrique aiseacutement diffusable

Le but de cette eacutetude est finalement modeste comment reacutealiser pour un capteur

lrsquoeacutequivalent de la courbe caracteacuteristique que nous reacutealisions en argentique

Cette courbe apportait agrave lrsquoopeacuterateur des informations indispensables eacutetendue

utile sensibiliteacute latitude de pose deacutefauts eacuteventuels Ces informations nrsquoeacutetaient

eacutetablies que pour un couple stock drsquoeacutemulsionlabo et pouvaient donc varier

avec un autre stock drsquoeacutemulsion du mecircme modegravele et de la mecircme marque et un

autre labo voire le mecircme labo quelques mois plus tard

Que signifie laquo sensibiliteacute de capteur raquo et peut-on utiliser sa cellule pour poser une

image numeacuterique

Alors qursquoen argentique il suffisait de changer drsquoeacutemulsion pour changer de type

de capteur en numeacuterique nous sommes pour ainsi dire prisonniers des caracteacuteris-

tiques du capteur eacutetendue utile sensibiliteacute et colorimeacutetrie Il est donc indispens-

able de les deacutefinir rigoureusement Le parallegravele avec la sensitomeacutetrie argentique

constitue donc notre base de deacutepart pour deacuteterminer un protocole qui nous

donnera des reacutesultats objectifs

Par ailleurs le grain drsquoune eacutemulsion constitue une trame aleacuteatoire tandis que la

structure des photosites drsquoun capteur constitue un reacuteseau geacuteomeacutetrique reacutegu-

lier ce qui peut provoquer des effets indeacutesirables de moirage surtout en lrsquoab-

sence drsquoun filtre anti-aliasing adapteacute Il faut donc se faire agrave lrsquoideacutee que la videacuteo

numeacuterique constitue un meacutedia diffeacuterent de lrsquoargentique et de la videacuteo tradition-

nelle mecircme si des rappels et des similitudes entre les uns et les autres existent

Les cameacuteras numeacuteriques peuvent ecirctre utiliseacutees principalement de deux

maniegraveres soit pour produire un enregistrement videacuteo encodeacute en composantes

videacuteo numeacuteriques et compresseacute avec toutes les restrictions que cela comporte

soit pour produire une image plus riche de type laquo cineacutema raquo qui demandera un

1 INTRODUCTION1

98

Lrsquoenregistrement RAW permet de preacuteserver au maximum les informations de

lrsquoimage en eacutevitant de les deacutegrader par un traitement dans la cameacutera celle-ci

nrsquoeacutetant rien drsquoautre qursquoune station graphique portable et donc tregraves optimiseacutee

car devant traiter en temps reacuteel un grand nombre drsquoopeacuterations deacutematriccedilage

matriccedilage primaire (matrix) gammas knee correction de contours codage

videacuteo composantes (YCbCr) compression etc En mode RAW toutes ces opeacutera-

tions seront traiteacutees a posteriori sur des stations graphiques drsquoeacutetalonnage plus

efficaces infiniment plus souples et moins limiteacutees en ressources et travaillant en

RGB et non pas en codage composantes YrsquoCb Cr codage destructeur de lrsquoes-

pace colorimeacutetrique qui se trouve en effet diviseacute par 6 [figure 3] Ce codage

inventeacute au deacutepart pour la teacuteleacutevision est peu adapteacute aux exigences de lrsquoeacutetalon-

nage du cineacutema numeacuterique

Figure 3 Illustration de la reacuteduction de lrsquoespace de quantification drsquoune image codeacutee en composantes videacuteo Toutes les parties hachureacutees du cube de quantification Y Cb Cr correspondent agrave de lrsquoespace perdu RGB 8 bits 16 777 216 couleurs YCbCr 8 bits 2 728 790 couleurs

Les buts de cette eacutetude sont donc les suivants

1 Deacuteterminer lrsquoeacutetendue utile du capteur

2 Caracteacuteriser le rapport signal sur bruit

3 Deacuteterminer la sensibiliteacute du capteur

4 Deacuteterminer la sensibiliteacute spectrale du capteur et la Tempeacuterature de Couleur

geacuteneacuterant le moins de bruit

La meacutethode utiliseacutee srsquoinspire de la sensitomeacutetrie argentique exposition du cap-

teur agrave travers une mire de contraste pour reacutealiser un sensitogramme numeacuterique

releveacute de valeurs traceacute de la courbe puis interpreacutetation de cette courbe

Accessoirement cette eacutetude cherche eacutegalement agrave tordre le cou agrave certaines

ideacutees reccedilues et agrave faire bouger les lignes par rapport agrave certains fabricants qui

ne communiquent qursquoassez peu voire pas du tout sur la structure de leur

fichier RAW

Lien MacLien PC

1

76

traitement en postproduction crsquoest le mode RAW Il va de soi que crsquoest cette

seconde option qui permettra de juger de toutes les qualiteacutes drsquoune cameacutera le

mode videacuteo constituant un nivellement de la dynamique et de la richesse de

lrsquoimage

En sortie du capteur la lecture analogique des tensions issues des photosites est

convertie en valeurs numeacuteriques et codeacutee Agrave partir de lagrave lrsquoenregistrement du

signal peut se faire de deux maniegraveres

Lrsquoinformation est totalement laquo deacuteveloppeacutee raquo dans la cameacutera encodeacutee en

mode composantes et compresseacutee dans un fichier videacuteo [figure 1]

Lrsquoinformation est eacutecrite plus ou moins directement soit en lineacuteaire soit en log

avec parfois mecircme une compression dans un fichier dit RAW [figure 2] La ca-

meacutera renferme ainsi une partie du labo sans que la documentation soit toujours

claire agrave ce sujet La lecture peut srsquoeffectuer ensuite soit dans un flux videacuteo nu-

meacuterique qui transmet en reacutealiteacute des valeurs binaires soit en lisant directement les

valeurs numeacuteriques du fichier RAW

Figure 1 Flux videacuteo traditionnel

Figure 2 Enregistrement RAW

A But de cette eacutetude Avec lrsquoavegravenement du numeacuterique il est devenu indispensable pour le directeur

photo de connaitre les caracteacuteristiques du capteur de la cameacutera qursquoil utilise

Pour eacutevaluer ces caracteacuteristiques diffeacuterentes approches peuvent ecirctre envisageacutees

Soit une approche subjective baseacutee sur une scegravene avec une silhouette lumiegravere

permettant drsquoeacutevaluer un rendu artistique mais qui ne vaut que pour des essais

particuliers

Soit une approche objective baseacutee sur des mesures et permettant de tracer

une courbe sensitomeacutetrique aiseacutement diffusable

Le but de cette eacutetude est finalement modeste comment reacutealiser pour un capteur

lrsquoeacutequivalent de la courbe caracteacuteristique que nous reacutealisions en argentique

Cette courbe apportait agrave lrsquoopeacuterateur des informations indispensables eacutetendue

utile sensibiliteacute latitude de pose deacutefauts eacuteventuels Ces informations nrsquoeacutetaient

eacutetablies que pour un couple stock drsquoeacutemulsionlabo et pouvaient donc varier

avec un autre stock drsquoeacutemulsion du mecircme modegravele et de la mecircme marque et un

autre labo voire le mecircme labo quelques mois plus tard

Que signifie laquo sensibiliteacute de capteur raquo et peut-on utiliser sa cellule pour poser une

image numeacuterique

Alors qursquoen argentique il suffisait de changer drsquoeacutemulsion pour changer de type

de capteur en numeacuterique nous sommes pour ainsi dire prisonniers des caracteacuteris-

tiques du capteur eacutetendue utile sensibiliteacute et colorimeacutetrie Il est donc indispens-

able de les deacutefinir rigoureusement Le parallegravele avec la sensitomeacutetrie argentique

constitue donc notre base de deacutepart pour deacuteterminer un protocole qui nous

donnera des reacutesultats objectifs

Par ailleurs le grain drsquoune eacutemulsion constitue une trame aleacuteatoire tandis que la

structure des photosites drsquoun capteur constitue un reacuteseau geacuteomeacutetrique reacutegu-

lier ce qui peut provoquer des effets indeacutesirables de moirage surtout en lrsquoab-

sence drsquoun filtre anti-aliasing adapteacute Il faut donc se faire agrave lrsquoideacutee que la videacuteo

numeacuterique constitue un meacutedia diffeacuterent de lrsquoargentique et de la videacuteo tradition-

nelle mecircme si des rappels et des similitudes entre les uns et les autres existent

Les cameacuteras numeacuteriques peuvent ecirctre utiliseacutees principalement de deux

maniegraveres soit pour produire un enregistrement videacuteo encodeacute en composantes

videacuteo numeacuteriques et compresseacute avec toutes les restrictions que cela comporte

soit pour produire une image plus riche de type laquo cineacutema raquo qui demandera un

1 INTRODUCTION1

98

Lrsquoenregistrement RAW permet de preacuteserver au maximum les informations de

lrsquoimage en eacutevitant de les deacutegrader par un traitement dans la cameacutera celle-ci

nrsquoeacutetant rien drsquoautre qursquoune station graphique portable et donc tregraves optimiseacutee

car devant traiter en temps reacuteel un grand nombre drsquoopeacuterations deacutematriccedilage

matriccedilage primaire (matrix) gammas knee correction de contours codage

videacuteo composantes (YCbCr) compression etc En mode RAW toutes ces opeacutera-

tions seront traiteacutees a posteriori sur des stations graphiques drsquoeacutetalonnage plus

efficaces infiniment plus souples et moins limiteacutees en ressources et travaillant en

RGB et non pas en codage composantes YrsquoCb Cr codage destructeur de lrsquoes-

pace colorimeacutetrique qui se trouve en effet diviseacute par 6 [figure 3] Ce codage

inventeacute au deacutepart pour la teacuteleacutevision est peu adapteacute aux exigences de lrsquoeacutetalon-

nage du cineacutema numeacuterique

Figure 3 Illustration de la reacuteduction de lrsquoespace de quantification drsquoune image codeacutee en composantes videacuteo Toutes les parties hachureacutees du cube de quantification Y Cb Cr correspondent agrave de lrsquoespace perdu RGB 8 bits 16 777 216 couleurs YCbCr 8 bits 2 728 790 couleurs

Les buts de cette eacutetude sont donc les suivants

1 Deacuteterminer lrsquoeacutetendue utile du capteur

2 Caracteacuteriser le rapport signal sur bruit

3 Deacuteterminer la sensibiliteacute du capteur

4 Deacuteterminer la sensibiliteacute spectrale du capteur et la Tempeacuterature de Couleur

geacuteneacuterant le moins de bruit

La meacutethode utiliseacutee srsquoinspire de la sensitomeacutetrie argentique exposition du cap-

teur agrave travers une mire de contraste pour reacutealiser un sensitogramme numeacuterique

releveacute de valeurs traceacute de la courbe puis interpreacutetation de cette courbe

Accessoirement cette eacutetude cherche eacutegalement agrave tordre le cou agrave certaines

ideacutees reccedilues et agrave faire bouger les lignes par rapport agrave certains fabricants qui

ne communiquent qursquoassez peu voire pas du tout sur la structure de leur

fichier RAW

Lien MacLien PC

1

98

Lrsquoenregistrement RAW permet de preacuteserver au maximum les informations de

lrsquoimage en eacutevitant de les deacutegrader par un traitement dans la cameacutera celle-ci

nrsquoeacutetant rien drsquoautre qursquoune station graphique portable et donc tregraves optimiseacutee

car devant traiter en temps reacuteel un grand nombre drsquoopeacuterations deacutematriccedilage

matriccedilage primaire (matrix) gammas knee correction de contours codage

videacuteo composantes (YCbCr) compression etc En mode RAW toutes ces opeacutera-

tions seront traiteacutees a posteriori sur des stations graphiques drsquoeacutetalonnage plus

efficaces infiniment plus souples et moins limiteacutees en ressources et travaillant en

RGB et non pas en codage composantes YrsquoCb Cr codage destructeur de lrsquoes-

pace colorimeacutetrique qui se trouve en effet diviseacute par 6 [figure 3] Ce codage

inventeacute au deacutepart pour la teacuteleacutevision est peu adapteacute aux exigences de lrsquoeacutetalon-

nage du cineacutema numeacuterique

Figure 3 Illustration de la reacuteduction de lrsquoespace de quantification drsquoune image codeacutee en composantes videacuteo Toutes les parties hachureacutees du cube de quantification Y Cb Cr correspondent agrave de lrsquoespace perdu RGB 8 bits 16 777 216 couleurs YCbCr 8 bits 2 728 790 couleurs

Les buts de cette eacutetude sont donc les suivants

1 Deacuteterminer lrsquoeacutetendue utile du capteur

2 Caracteacuteriser le rapport signal sur bruit

3 Deacuteterminer la sensibiliteacute du capteur

4 Deacuteterminer la sensibiliteacute spectrale du capteur et la Tempeacuterature de Couleur

geacuteneacuterant le moins de bruit

La meacutethode utiliseacutee srsquoinspire de la sensitomeacutetrie argentique exposition du cap-

teur agrave travers une mire de contraste pour reacutealiser un sensitogramme numeacuterique

releveacute de valeurs traceacute de la courbe puis interpreacutetation de cette courbe

Accessoirement cette eacutetude cherche eacutegalement agrave tordre le cou agrave certaines

ideacutees reccedilues et agrave faire bouger les lignes par rapport agrave certains fabricants qui

ne communiquent qursquoassez peu voire pas du tout sur la structure de leur

fichier RAW

Lien MacLien PC

1

1110

A Importance de la taille du capteur

La taille du capteur deacutetermine la taille des photosites et cette derniegravere est deacuteter-

minante dans de nombreux domaines tels que la sensibiliteacute la dynamique la pro-

fondeur de champ la diffraction et la FTM (Fonction de Transfert de Modulation)

[tableau 1] La taille des photosites deacutepend eacutegalement de la deacutefinition du cap-

teur en photo par exemple la course aux pixels a rapidement atteint une limite

car avec une densiteacute de photosites plus grande donc des photosites plus petits on

reacuteintroduit les deacutefauts propres aux capteurs de petite taille

Dimensions capteur

Cameacutera H en mm L en mmDiag

en mmRatio brut

Super 16 mm 672 1195 1371 178

35 mm 2 perf 91 161 1849 177

S35 mm 3 perf 139 249 2852 179

Videacuteo 13rdquo 43 36 48 600 133

Videacuteo 12rdquo 43 48 64 800 133

Videacuteo 23rdquo 43 monture B4 66 88 1100 133

Videacuteo 23rdquo 169 monture B4 539 958 1099 178

Blackmagic Pocket 7 125 1433 179

Blackmagic 25K 88 158 1809 180

Micro 43 135 18 2250 133

AJA CION 119 225 2545 189

RED RAVEN 108 23 2541 213

Canon 7D M II 149 223 2682 150

Sony F3 FS100U 133 236 2709 177

Sony F5F55 FS5 FS7 FS700U 127 24 2715 189

Sony F65 131 247 2796 189

Arri ALEXA AMIRA 169 134 238 2731 178

B Protocoles envisageacutes

Le protocole envisageacute mecircme srsquoil est ouvert agrave des eacutevolutions futures doit prendre

en compte un certain nombre de contraintes

Les capteurs sont de tailles diffeacuterentes du micro 43 jusqursquoau 24 x 36 mm

voire plus

On ne peut pas opeacuterer par contact contrairement au film agrave cause de la preacute-

sence de divers filtres des lentilles gaufreacutees etc

Deux approches peuvent ecirctre envisageacutees avec ou sans objectif

La meacutethode avec objectif consiste agrave projeter lrsquoimage drsquoune mire sur le cap-

teur via un systegraveme optique le plus simple eacutetant drsquoutiliser un objectif preacutesentant

peu de flare agrave lrsquoouverture requise et dont les caracteacuteristiques sont par ailleurs

disponibles et mesurables Cette meacutethode avec objectif preacutesente lrsquointeacuterecirct drsquoen-

registrer lrsquoimage drsquoune mire comportant de nombreuses zones pouvant couvrir

jusqursquoagrave 21 EV en une seule passe drsquoougrave un gain de temps consideacuterable et un re-

peacuterage tregraves simple mais elle a lrsquoinconveacutenient drsquointeacutegrer la transmission spectrale

de lrsquoobjectif ainsi que ses eacuteventuels deacutefauts dans la mesure Lrsquoideacuteal serait drsquoutiliser

une optique agrave miroir dite catadioptrique car deacutepourvue drsquoaberration chroma-

tique et neutre du point de vue transmission mais outre que ces objectifs ne

disposent pas drsquoun diaphragme mais drsquoune ouverture fixe ce sont toujours des

objectifs de longue focale et tregraves encombrants ce qui poserait des problegravemes au

niveau du banc optique

La meacutethode sans objectif consiste agrave eacuteclairer directement le capteur agrave lrsquoaide

drsquoune source tungstegravene ponctuelle crsquoest la meacutethode dite du plan focal La

source est une source tungstegravene normaliseacutee basse tension reacuteguleacutee de type

sphegravere inteacutegrante produisant un eacuteclairement uniforme du capteur La variation

EV est obtenue en faisant varier la vitesse drsquoobturation de 13 en 13 drsquoEV (voir

partie 4A1) Cette meacutethode est bien adapteacutee aux boicirctiers photo sur lesquels

lrsquoobturateur peut varier de 13 en 13 drsquoEV selon les preacuteconisations ISO mais pas

neacutecessairement aux cameacuteras numeacuteriques qui ne possegravedent pas toujours des

variations drsquoobturation aussi subtiles sauf agrave utiliser le clear scan et se trouvent

limiteacutees par les vitesses lentes si on se cale sur 24 ou 25 is Par ailleurs les poses

longues geacutenegraverent du bruit sur le capteur la norme ISO recommandant de ne pas

deacutepasser le 130egraveme La plage drsquoobturation du 18000egraveme au 130egraveme couvre 8 EV

ce qui est infeacuterieur agrave la dynamique des cameacuteras actuelles Il reste la possibiliteacute de

reculer la source mais aux courtes distances les erreurs de mesure au luxmegravetre

peuvent ecirctre importantes En reacutesumeacute crsquoest une bonne meacutethode pour deacuteterminer

la sensibiliteacute drsquoun capteur En revanche elle rend laborieuse la deacutetermination de

lrsquoeacutetendue utile surtout si lrsquoon veut couvrir 16 EV par 13 de valeur et si de plus lrsquoon

veut mesurer cette eacutetendue utile pour toutes les plages de sensibiliteacute proposeacutees

par la cameacutera

2 DONNEacuteES DU PROBLEgraveME

1312

Dimensions capteur

Cameacutera H en mm L en mmDiag

en mmRatio brut

Panasonic Varicam 35 LT 129 245 2769 190

Sony NEX APS-C 156 235 2821 151

Canon C100 C300 C500 138 246 2821 178

RED Scarlet-W 135 256 2894 190

Arri ALEXA mode 43 178 238 2972 134

ANSI S35 Silent 1866 2489 3111 133

RED Mysterium-X 146 277 3131 190

Arri ALEXA Open gate Mode 1813 2817 3350 155

RED Dragon 6K FF 158 307 3453 194

Sony A7 Nikon D810 Canon 5D 24 36 4327 150

RED Weapon 8K W 216 4096 4631 190

Arri ALEXA 65 (Full) 2559 5412 5987 211

Arri ALEXA Spherical WS 2264 5412 5866 239

1 Rendement quantiqueLe rendement du capteur deacutepend de plusieurs facteurs mais en premier lieu

de la surface de ses photosites Agrave lrsquoinstar des cristaux drsquohalogeacutenure drsquoargent en

argentique plus la surface des photosites est grande plus le rendement du cap-

teur sera important car des photosites de plus grande taille peuvent capter plus

de photons Pour un mecircme ratio et une mecircme reacutesolution donc avec le mecircme

nombre de photosites un capteur 2 fois plus large et 2 fois plus haut aura des

photosites drsquoune surface 4 fois plus grande et aura ainsi un rendement 4 fois plus

important [figure 4]

2 Lrsquoeacutetendue utileLrsquoeacutetendue utile pour un capteur est le nombre drsquoEV ou de diaphragmes que ce

capteur peut restituer entre lrsquoexposition maximale correspondant au point de

saturation et lrsquoexposition minimale valeur la plus basse ayant un niveau de bruit

acceptable (voir deacutefinitions en annexe)

Plus les photosites ont une grande surface et donc plus le capteur est grand

plus ils peuvent accumuler de charges et donc capter des informations dans

les hautes lumiegraveres Comme ils sont par ailleurs plus sensibles lrsquoimage reacutesultante

preacutesentera eacutegalement plus drsquoinformation dans les basses lumiegraveres Son eacutetendue

utile globale sera donc plus grande

3 Profondeur de champLa gestion de la profondeur de champ permet dans un but estheacutetique de seacutepa-

rer le sujet du fond Lrsquoutilisation drsquoun grand capteur donnera un aspect ldquocineacutemardquo

agrave une videacuteo les capteurs de petite taille ne permettant pas de deacutetacher le sujet

du fond On peut tout au contraire inteacutegrer son sujet au deacutecor Les deux choix se

respectent tant qursquoils sont le reacutesultat drsquoune intention Ce qursquoil faut en conclure

crsquoest que pour un petit capteur la profondeur de champ devient tregraves grande et

donc un flou drsquoarriegravere plan sera tregraves difficile agrave reacutealiser

Si nous tenons compte que

H = Fsup2 (N x CoC)

H hyperfocale en megravetre F focale en megravetre N ouverture geacuteomeacutetrique

CoC cercle de confusion en megravetre

Figure 4Surface theacuteorique maximale des photosites en fonction de la largeur du capteur pour une deacutefinition HD la courbe est exponentielle [La taille reacuteelle des photosites est bien entendu nettement infeacuterieure agrave la taille theacuteorique de la mosaiumlque]

2

Tableau 1 Quelques dimensions de capteurs film videacuteo et numeacuterique illustrant la tregraves grande varieacuteteacute preacutesente sur le marcheacute actuellement

350 m2

300 m2

250 m2

200 m2

150 m2

1000 m2

50 m2

0 m2

1514

La progression de lrsquohyperfocale fonction de Fsup2 nrsquoest donc pas lineacuteaire mais expo-

nentielle Lrsquoappa rence des courbes de profondeur de champ reacutesultantes lieacutees agrave la

largeur du capteur sont donc sensiblement de type hyperboles

Sur le graphique [figure 5] les courbes bleue et rouge affichent les limites de netteteacute

avant et arriegravere La figure reacutesultante affiche la profondeur de champ en fonction

de la largeur du capteur agrave angle de prise de vues constant profondeur de champ

qui se situe donc entre la courbe verte limite avant et la courbe rouge limite

arriegravere Cette profondeur de champ sera donc tregraves grande avec un capteur de

petite taille ce qui laquo collera raquo le sujet sur le fond de maniegravere parfois peu estheacutetique

et elle deviendra tregraves faible avec un capteur de grande taille

4 BruitUn capteur de grande taille sera par ailleurs moins sensible au bruit il dispose

drsquoune meilleure dissipation thermique lieacutee agrave sa surface il est plus sensible donc

demande un gain plus faible La norme ISO 15739 deacutefinit avec preacutecision la

mesure du bruit

5 DiffractionLa diffraction intervient lorsqursquoon ferme le diaphragme au-delagrave drsquoune certaine

ouverture On quitte alors le domaine de lrsquooptique geacuteomeacutetrique pour entrer

dans celui de lrsquooptique ondulatoire lrsquoimage drsquoun point une eacutetoile par exemple

devient une tache le cercle drsquoAiry [figure 6] qui sera drsquoautant plus grande que

lrsquoouverture sera petite La diffraction deacutegrade donc seacuterieusement la reacutesolution

des optiques au-delagrave drsquoune certaine ouverture

Le diamegravetre de cette tache deacutepend de lrsquoouverture selon la formule

d = 244 N

d en nm si longueur drsquoonde en nm

N ouverture geacuteomeacutetrique

On peut illustrer ce pheacutenomegravene avec une feuille de tableur agrave teacuteleacute-

charger ici Les couleurs qui correspondent agrave une mise en forme

conditionnelle ne srsquoafficheront pas en ligne

Figure 6 Cercle drsquoAiry

Figure 5 Profondeur de champ agrave une distance donneacutee en fonctionde la largeur du capteur agrave focale eacutequivalente pour conserver lrsquoangle de champ

Vous pouvez teacuteleacutecharger une feuille de tableur illustrant le pheacuteno-

megravene ici (NB les graphiques ne srsquoafficheront pas en ligne)

2

P

1312

Dimensions capteur

Cameacutera H en mm L en mmDiag

en mmRatio brut

Panasonic Varicam 35 LT 129 245 2769 190

Sony NEX APS-C 156 235 2821 151

Canon C100 C300 C500 138 246 2821 178

RED Scarlet-W 135 256 2894 190

Arri ALEXA mode 43 178 238 2972 134

ANSI S35 Silent 1866 2489 3111 133

RED Mysterium-X 146 277 3131 190

Arri ALEXA Open gate Mode 1813 2817 3350 155

RED Dragon 6K FF 158 307 3453 194

Sony A7 Nikon D810 Canon 5D 24 36 4327 150

RED Weapon 8K W 216 4096 4631 190

Arri ALEXA 65 (Full) 2559 5412 5987 211

Arri ALEXA Spherical WS 2264 5412 5866 239

1 Rendement quantiqueLe rendement du capteur deacutepend de plusieurs facteurs mais en premier lieu

de la surface de ses photosites Agrave lrsquoinstar des cristaux drsquohalogeacutenure drsquoargent en

argentique plus la surface des photosites est grande plus le rendement du cap-

teur sera important car des photosites de plus grande taille peuvent capter plus

de photons Pour un mecircme ratio et une mecircme reacutesolution donc avec le mecircme

nombre de photosites un capteur 2 fois plus large et 2 fois plus haut aura des

photosites drsquoune surface 4 fois plus grande et aura ainsi un rendement 4 fois plus

important [figure 4]

2 Lrsquoeacutetendue utileLrsquoeacutetendue utile pour un capteur est le nombre drsquoEV ou de diaphragmes que ce

capteur peut restituer entre lrsquoexposition maximale correspondant au point de

saturation et lrsquoexposition minimale valeur la plus basse ayant un niveau de bruit

acceptable (voir deacutefinitions en annexe)

Plus les photosites ont une grande surface et donc plus le capteur est grand

plus ils peuvent accumuler de charges et donc capter des informations dans

les hautes lumiegraveres Comme ils sont par ailleurs plus sensibles lrsquoimage reacutesultante

preacutesentera eacutegalement plus drsquoinformation dans les basses lumiegraveres Son eacutetendue

utile globale sera donc plus grande

3 Profondeur de champLa gestion de la profondeur de champ permet dans un but estheacutetique de seacutepa-

rer le sujet du fond Lrsquoutilisation drsquoun grand capteur donnera un aspect ldquocineacutemardquo

agrave une videacuteo les capteurs de petite taille ne permettant pas de deacutetacher le sujet

du fond On peut tout au contraire inteacutegrer son sujet au deacutecor Les deux choix se

respectent tant qursquoils sont le reacutesultat drsquoune intention Ce qursquoil faut en conclure

crsquoest que pour un petit capteur la profondeur de champ devient tregraves grande et

donc un flou drsquoarriegravere plan sera tregraves difficile agrave reacutealiser

Si nous tenons compte que

H = Fsup2 (N x CoC)

H hyperfocale en megravetre F focale en megravetre N ouverture geacuteomeacutetrique

CoC cercle de confusion en megravetre

Figure 4Surface theacuteorique maximale des photosites en fonction de la largeur du capteur pour une deacutefinition HD la courbe est exponentielle [La taille reacuteelle des photosites est bien entendu nettement infeacuterieure agrave la taille theacuteorique de la mosaiumlque]

2

Tableau 1 Quelques dimensions de capteurs film videacuteo et numeacuterique illustrant la tregraves grande varieacuteteacute preacutesente sur le marcheacute actuellement

350 m2

300 m2

250 m2

200 m2

150 m2

1000 m2

50 m2

0 m2

1514

La progression de lrsquohyperfocale fonction de Fsup2 nrsquoest donc pas lineacuteaire mais expo-

nentielle Lrsquoappa rence des courbes de profondeur de champ reacutesultantes lieacutees agrave la

largeur du capteur sont donc sensiblement de type hyperboles

Sur le graphique [figure 5] les courbes bleue et rouge affichent les limites de netteteacute

avant et arriegravere La figure reacutesultante affiche la profondeur de champ en fonction

de la largeur du capteur agrave angle de prise de vues constant profondeur de champ

qui se situe donc entre la courbe verte limite avant et la courbe rouge limite

arriegravere Cette profondeur de champ sera donc tregraves grande avec un capteur de

petite taille ce qui laquo collera raquo le sujet sur le fond de maniegravere parfois peu estheacutetique

et elle deviendra tregraves faible avec un capteur de grande taille

4 BruitUn capteur de grande taille sera par ailleurs moins sensible au bruit il dispose

drsquoune meilleure dissipation thermique lieacutee agrave sa surface il est plus sensible donc

demande un gain plus faible La norme ISO 15739 deacutefinit avec preacutecision la

mesure du bruit

5 DiffractionLa diffraction intervient lorsqursquoon ferme le diaphragme au-delagrave drsquoune certaine

ouverture On quitte alors le domaine de lrsquooptique geacuteomeacutetrique pour entrer

dans celui de lrsquooptique ondulatoire lrsquoimage drsquoun point une eacutetoile par exemple

devient une tache le cercle drsquoAiry [figure 6] qui sera drsquoautant plus grande que

lrsquoouverture sera petite La diffraction deacutegrade donc seacuterieusement la reacutesolution

des optiques au-delagrave drsquoune certaine ouverture

Le diamegravetre de cette tache deacutepend de lrsquoouverture selon la formule

d = 244 N

d en nm si longueur drsquoonde en nm

N ouverture geacuteomeacutetrique

On peut illustrer ce pheacutenomegravene avec une feuille de tableur agrave teacuteleacute-

charger ici Les couleurs qui correspondent agrave une mise en forme

conditionnelle ne srsquoafficheront pas en ligne

Figure 6 Cercle drsquoAiry

Figure 5 Profondeur de champ agrave une distance donneacutee en fonctionde la largeur du capteur agrave focale eacutequivalente pour conserver lrsquoangle de champ

Vous pouvez teacuteleacutecharger une feuille de tableur illustrant le pheacuteno-

megravene ici (NB les graphiques ne srsquoafficheront pas en ligne)

2

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La progression de lrsquohyperfocale fonction de Fsup2 nrsquoest donc pas lineacuteaire mais expo-

nentielle Lrsquoappa rence des courbes de profondeur de champ reacutesultantes lieacutees agrave la

largeur du capteur sont donc sensiblement de type hyperboles

Sur le graphique [figure 5] les courbes bleue et rouge affichent les limites de netteteacute

avant et arriegravere La figure reacutesultante affiche la profondeur de champ en fonction

de la largeur du capteur agrave angle de prise de vues constant profondeur de champ

qui se situe donc entre la courbe verte limite avant et la courbe rouge limite

arriegravere Cette profondeur de champ sera donc tregraves grande avec un capteur de

petite taille ce qui laquo collera raquo le sujet sur le fond de maniegravere parfois peu estheacutetique

et elle deviendra tregraves faible avec un capteur de grande taille

4 BruitUn capteur de grande taille sera par ailleurs moins sensible au bruit il dispose

drsquoune meilleure dissipation thermique lieacutee agrave sa surface il est plus sensible donc

demande un gain plus faible La norme ISO 15739 deacutefinit avec preacutecision la

mesure du bruit

5 DiffractionLa diffraction intervient lorsqursquoon ferme le diaphragme au-delagrave drsquoune certaine

ouverture On quitte alors le domaine de lrsquooptique geacuteomeacutetrique pour entrer

dans celui de lrsquooptique ondulatoire lrsquoimage drsquoun point une eacutetoile par exemple

devient une tache le cercle drsquoAiry [figure 6] qui sera drsquoautant plus grande que

lrsquoouverture sera petite La diffraction deacutegrade donc seacuterieusement la reacutesolution

des optiques au-delagrave drsquoune certaine ouverture

Le diamegravetre de cette tache deacutepend de lrsquoouverture selon la formule

d = 244 N

d en nm si longueur drsquoonde en nm

N ouverture geacuteomeacutetrique

On peut illustrer ce pheacutenomegravene avec une feuille de tableur agrave teacuteleacute-

charger ici Les couleurs qui correspondent agrave une mise en forme

conditionnelle ne srsquoafficheront pas en ligne

Figure 6 Cercle drsquoAiry

Figure 5 Profondeur de champ agrave une distance donneacutee en fonctionde la largeur du capteur agrave focale eacutequivalente pour conserver lrsquoangle de champ

Vous pouvez teacuteleacutecharger une feuille de tableur illustrant le pheacuteno-

megravene ici (NB les graphiques ne srsquoafficheront pas en ligne)

2

P

1716

Cette feuille de tableur [figure 7] illustre la diffraction en fonction de la largeur

du capteur et de lrsquoouverture pour une reacutesolution horizontale de 2K 4K 6K ou 8K

Vous pouvez teacuteleacutecharger ici le fichier Excel

Pour les calculs = 555 nm ce qui correspond au pic de sensibiliteacute spectrale de la

vision humaine Soit N lrsquoouverture geacuteomeacutetrique (diaphragme) La diffraction com-

mence lorsque le diamegravetre du cercle drsquoAiry deacutepasse la dimension drsquoun photosite

(domaine orange)

Elle devient inacceptable lorsque le rayon du

cercle drsquoAiry = 122 N (critegravere de Rayleigh)

deacutepasse lrsquoentraxe entre deux traits sachant

que pour faire un trait noir sur fond blanc il

faut deux colonnes de photosites [figure 8]

une pour le noir et lrsquoautre pour le blanc1 do-

maine rouge sur le graphique Le critegravere de

Rayleigh suppose par ailleurs que lrsquoobjectif

ait une tregraves bonne laquo fonction de transfert de

modulation raquo

1 NB Le fait de devoir utiliser deux colonnes pour dessiner un trait correspond par ailleurs autheacuteoregraveme de Nyquist-Shannon sur la quantification

6 Fonction de transfert de modulation (FTM)

Il est beaucoup plus facile de construire des optiques pour un capteur de grande

taille que pour un capteur de petite taille En effet si on divise par exemple la

taille drsquoun capteur par 2 il faudrait pour conserver la mecircme reacutesolution que lrsquoop-

tique associeacutee puisse passer des freacutequences doubles Le prix drsquoune telle optique

serait donc multiplieacute par 2 3 voire 4 Malheureusement dans la reacutealiteacute crsquoest tout

lrsquoinverse qui se passe pour obtenir des cameacuteras ou des appareils photo bon

marcheacute les fabricants sont obligeacutes de rogner sur tous les eacuteleacutements possibles taille

du capteur qualiteacute optique processeur drsquoimage

En dehors des qualiteacutes des objectifs tout circuit eacutelectronique tend agrave atteacutenuer les

hautes freacute quences donc les fins deacutetails de lrsquoimage Les caracteacuteristiques mecircme

de lrsquoeacutelectronique associeacutee aux photosites vont jouer sur la FTM

Par ailleurs le gain de lrsquoeacutelectronique associeacutee aux photosites va varier selon la

technologie et la taille des capteurs geacuteneacuterant du bruit ce qui est preacutejudiciable

agrave la FTM

Enfin pour les capteurs de petite taille la diaphonie eacutelectrique2 est un tregraves gros

problegraveme en raison de la faible distance entre les photosites

Une mesure de FTM est donc approprieacutee pour caracteacuteriser un capteur et lrsquoeacutelec-

tronique qui lrsquoentoure La norme ISO 12233 deacutefinit preacuteciseacutement la mesure de la

reacuteponse en freacutequence spatiale (Spatial Frequency Response ou SFR)

B Technologies des capteurs

1 CCD et CMOS

Apparus en 1970 dans les Laboratoires Bell et donc historiquement les plus an-

ciens les capteurs CCD laissent peu agrave peu place aux capteurs CMOS Ce sont

deux technologies tregraves diffeacuterentes preacutesentant chacune divers avantages et in-

conveacutenients Moins sensibles au demeurant les capteurs CMOS ont fait drsquoeacutenormes

progregraves et devant la course aux pixels et agrave lrsquoultra-haute deacutefinition ils tendent agrave

srsquoimposer agrave cause de leur faible consommation de leur rapiditeacute de traitement

pas de zones meacutemoires complexes comme sur les capteurs CCD Si les capteurs

CCD de type HAD ou FIT eacutequipent encore nombre de cameacuteras HD broadcast Figure 8Repreacutesentation du critegravere de Rayleigh

2

Figure 7 Diffraction en fonction de la largeur du capteur

2 La diaphonie optique et la diaphonie eacutelectrique optical crosstalk ou electrical crosstalk consti-tuent un parasitage optique ou eacutelectrique entre deux zones tregraves proches drsquoun composant Crsquoestune des deacutefis majeurs pour la conception drsquoun capteur

1918

les capteurs CMOS sont bien adapteacutes aux hautes freacutequences de lrsquoultra haute

deacutefinition Par ailleurs de gros progregraves ont eacuteteacute faits sur les capteurs CMOS pour

eacuteviter en particulier les artefacts de rolling shutter qui provoquent la deacuteformation

des objets dans les panoramiques ou les objets en mouvement et surtout pour

ameacuteliorer leur sensibiliteacute (Sony ClearvidTM et ExmorTM) De plus leurs sous-couches

eacutelectroniques peuvent deacutejagrave inclure des eacutetapes deacutecisives du traitement com-

me le gain et mecircme la conversion analogiquenumeacuterique ce qui limite le bruit

extra-capteur

2 FSI et BSILrsquoarchitecture traditionnelle FSI (Front Side Illumination = Illumination par lrsquoavant)

laisse peu agrave peu la place agrave une architecture BSI (Back Side Illumination = Illumi-

nation par lrsquoarriegravere) [figure 9] comme la technologie Sony ExmorTM qui ameacuteliore

consideacuterablement lrsquoefficaciteacute quantique et la sensibiliteacute et diminue la diaphonie

optique2 en reacuteduisant la lumiegravere parasite reacutefleacutechie sur les couches meacutetalliques du

capteur Cette architecture permet eacutegalement de creacuteer des composants plus

min ces drsquoutiliser des objectifs agrave plus grande ouverture et preacutesentant un angle de

champ plus large (CRA = Chief Ray Angle)

Par ailleurs drsquoautres technologies deacuteveloppeacutees par Sony et reacuteserveacutees pour le

moment agrave des applications industrielles Starviustrade [figure 10] et Pregiustrade con-

stituent des ameacuteliorations notables des capteurs CMOS La technologie Pregi-

us dite ldquoglobal shutter pixel technologyrdquo apporte un obturateur global drsquoune

faccedilon similaire agrave une structure CCD annulant ainsi lrsquoeffet de rolling shutter

mais pour une deacutefinition pour le moment infeacuterieure au 4K Autre inteacuterecirct la 3egraveme

geacuteneacuteration de cette technologie deacutecompose lrsquoimage en 64 zones pouvant

disposer chacune drsquoun temps drsquoexposition diffeacuterent

La technologie Starvius deacutecompose elle chaque eacuteleacutement drsquoimage en

4 sous-photosites agrave 2 temps drsquointeacutegration diffeacuterents lrsquoun rapide et lrsquoautre long

selon une matrice Quad Bayer ce qui permet drsquoenregistrer des images HDR

en videacuteo 4K Ce sont des axes de progregraves qui apparaicirctront tocirct ou tard sur les

cameacuteras grand public et sur les cameacuteras de cineacutema numeacuterique

2

Figure 9 Architecture FSI et BSI

FSI BSI

Figure 10 Technologie STARVIUStrade

CCD CMOS

Charge Coupled DeviceComplementary metal oxyde

semi-conductor

Coucirct de fabrication importantCoucirct de fabrication faible

si seacuterie importante

Lenteur Rapiditeacute de traitement

Consommation eacuteleveacuteeConsommation tregraves faible

(cent fois moins que les CCD)

Bonne uniformiteacuteMoins bonne uniformiteacute (corrigeacutee

par une meacutemoire de matrice)

Rendement quantique eacuteleveacute (jusqursquoagrave 80 )

Rendement quantique plus faible (25)

Eacutetendue utile (dynamique range) eacuteleveacutee

Eacutetendue utile plus faible

Bonne sensibiliteacute Sensibiliteacute plus faible (bruit plus eacuteleveacute)

Blooming ou Smear (trait blanc vertical sur les hautes lumiegraveres)

Rolling shutter

Obturateur global scintillement global

Obturateur par ligne scintillement par bande

L Long-time integration

S Short-time integration

Mode normal Mode HDR

2120

c Seacuteparation des primaires

1 Seacuteparation agrave prismes (tri CCD ou tri CMOS)

La seacuteparation des primaires par des prismes associeacutes agrave des filtres est la plus an-

cienne crsquoeacutetait la seule technologie utilisable avec des tubes pour obtenir une

image couleur Ces derniers ont ensuite eacuteteacute remplaceacutes par des CCD Lrsquoavegravene-

ment des cameacuteras tri-CCD a marqueacute toute une eacutepoque et continue drsquoopeacuterer sur

nombre de cameacuteras broadcast HD et mecircme UHDTV cette technologie preacutesen-

tant une grande rapiditeacute de traitement (pas de deacutematriccedilage) et une excellente

seacuteparation des primaires Les prismes preacutesentent cependant de nombreux incon-

veacutenients physiques et optiques

Encombrement

Vignettage

Aberrations chromatiques

Neacutecessiteacute de formules optiques reacutetrofocus pour les courtes focales

Incompatibiliteacute avec les optiques de cineacutema traditionnelles

2 Seacuteparation par matrice de filtres coloreacutes (mono capteur)

Lrsquoavegravenement de la photographie numeacuterique et la rencontre de la photo et de

la videacuteo ont contribueacute agrave srsquoaffranchir des prismes seacuteparateurs et agrave imposer pour le

cineacutema numeacuterique des cameacuteras mono-capteur

Sur les cameacuteras mono capteur la seacuteparation des primaires est obtenue par une

matrice de filtres coloreacutes placeacutee devant les photosites Divers systegravemes de matri-

ces coloreacutees existent [figure 11] avec parfois plus de 3 primaires la plus utiliseacutee

eacutetant celle de Bayer Ces systegravemes ne permettent pas drsquoobtenir directement une

image RGB il faut deacutematricer le signal issu des photosites

3 Importance du deacutematriccedilage

Les technologies agrave mono capteur imposent lors du deacuteveloppement numeacuterique

un deacutematriccedilage aussi connu sous le neacuteologisme de deacutebayerisation Cette

eacutetape constitue une interpolation des valeurs issues des photosites permettant

de les convertir en pixels vrais (voir annexe D Pixel) et drsquoobtenir ainsi les valeurs

numeacuteriques R G B caracteacuterisant chaque pixel Le reacutesultat global deacutepend beau-

coup des algorithmes utiliseacutes lors de cette phase clef Crsquoest pour cette raison

que dans la mesure du possible il est important pour cette eacutetude de pouvoir

acceacuteder directement aux valeurs numeacuteriques du fichier RAW pour srsquoaffranchir

de tout type drsquointerpolation [figure 12]

Lrsquoeacutetape de deacutematriccedilage est une eacutetape cruciale qui peut ecirctre faite dans la

cameacutera ou en mode RAW a posteriori avec des moyens beaucoup plus puis-

sants et des algorithmes plus performants

Lrsquointerpolation la plus simple est une interpolation bilineacuteaire mais elle ne tient pas

compte de la forme des objets et peut provoquer des artefacts couleur en par-

ticulier des moirages Des interpolations plus eacutevolueacutees existent comme lrsquointerpo-

lation par constante de teinte pondeacutereacutee adaptative par filtrage dans lrsquoespace

de Fourier ou encore lrsquointerpolation GEDI (Green Edge Directed Inter polation)

cette derniegravere eacutetant consideacutereacutee par les experts comme lrsquoune des meilleures mais

ce traitement peut demander des dizaines drsquoopeacuterations pour creacuteer chaque pixel

ce qui reste un problegraveme pour opeacuterer dans la cameacutera en temps reacuteel sur une

image animeacutee

Lien Wikipedia sur

le deacutematriccedilage ici

Thegravese dHarold Fellipeau

sur le deacutematriccedilage ici Figure 11 Quelques exemples de matrices

Filtre colonne Filtre Rockwell Filtre de Bayer

Figure 12 Interpolation drsquoun fichier RAW

Ce qursquoenregistre le capteur Image interpoleacutee

2

2120

c Seacuteparation des primaires

1 Seacuteparation agrave prismes (tri CCD ou tri CMOS)

La seacuteparation des primaires par des prismes associeacutes agrave des filtres est la plus an-

cienne crsquoeacutetait la seule technologie utilisable avec des tubes pour obtenir une

image couleur Ces derniers ont ensuite eacuteteacute remplaceacutes par des CCD Lrsquoavegravene-

ment des cameacuteras tri-CCD a marqueacute toute une eacutepoque et continue drsquoopeacuterer sur

nombre de cameacuteras broadcast HD et mecircme UHDTV cette technologie preacutesen-

tant une grande rapiditeacute de traitement (pas de deacutematriccedilage) et une excellente

seacuteparation des primaires Les prismes preacutesentent cependant de nombreux incon-

veacutenients physiques et optiques

Encombrement

Vignettage

Aberrations chromatiques

Neacutecessiteacute de formules optiques reacutetrofocus pour les courtes focales

Incompatibiliteacute avec les optiques de cineacutema traditionnelles

2 Seacuteparation par matrice de filtres coloreacutes (mono capteur)

Lrsquoavegravenement de la photographie numeacuterique et la rencontre de la photo et de

la videacuteo ont contribueacute agrave srsquoaffranchir des prismes seacuteparateurs et agrave imposer pour le

cineacutema numeacuterique des cameacuteras mono-capteur

Sur les cameacuteras mono capteur la seacuteparation des primaires est obtenue par une

matrice de filtres coloreacutes placeacutee devant les photosites Divers systegravemes de matri-

ces coloreacutees existent [figure 11] avec parfois plus de 3 primaires la plus utiliseacutee

eacutetant celle de Bayer Ces systegravemes ne permettent pas drsquoobtenir directement une

image RGB il faut deacutematricer le signal issu des photosites

3 Importance du deacutematriccedilage

Les technologies agrave mono capteur imposent lors du deacuteveloppement numeacuterique

un deacutematriccedilage aussi connu sous le neacuteologisme de deacutebayerisation Cette

eacutetape constitue une interpolation des valeurs issues des photosites permettant

de les convertir en pixels vrais (voir annexe D Pixel) et drsquoobtenir ainsi les valeurs

numeacuteriques R G B caracteacuterisant chaque pixel Le reacutesultat global deacutepend beau-

coup des algorithmes utiliseacutes lors de cette phase clef Crsquoest pour cette raison

que dans la mesure du possible il est important pour cette eacutetude de pouvoir

acceacuteder directement aux valeurs numeacuteriques du fichier RAW pour srsquoaffranchir

de tout type drsquointerpolation [figure 12]

Lrsquoeacutetape de deacutematriccedilage est une eacutetape cruciale qui peut ecirctre faite dans la

cameacutera ou en mode RAW a posteriori avec des moyens beaucoup plus puis-

sants et des algorithmes plus performants

Lrsquointerpolation la plus simple est une interpolation bilineacuteaire mais elle ne tient pas

compte de la forme des objets et peut provoquer des artefacts couleur en par-

ticulier des moirages Des interpolations plus eacutevolueacutees existent comme lrsquointerpo-

lation par constante de teinte pondeacutereacutee adaptative par filtrage dans lrsquoespace

de Fourier ou encore lrsquointerpolation GEDI (Green Edge Directed Inter polation)

cette derniegravere eacutetant consideacutereacutee par les experts comme lrsquoune des meilleures mais

ce traitement peut demander des dizaines drsquoopeacuterations pour creacuteer chaque pixel

ce qui reste un problegraveme pour opeacuterer dans la cameacutera en temps reacuteel sur une

image animeacutee

Lien Wikipedia sur

le deacutematriccedilage ici

Thegravese dHarold Fellipeau

sur le deacutematriccedilage ici Figure 11 Quelques exemples de matrices

Filtre colonne Filtre Rockwell Filtre de Bayer

Figure 12 Interpolation drsquoun fichier RAW

Ce qursquoenregistre le capteur Image interpoleacutee

2

2322

a Les mires de contraste

Les mires preacutesentant une eacutetendue utile suffisante ne peuvent ecirctre que du type

reacutetro-eacuteclaireacutees

1 Les mires Xyla Les mires Xyla drsquoun prix relativement eacuteleveacute couvrent jusqursquoagrave 26 EV

IL et ont une forme particuliegravere en xylophone pour minimiser le flare

dans les hautes lumiegraveres Elles incorporent une source et un systegraveme

drsquoobturateur-masque permettant drsquoisoler une plage preacutecise

2 Arri Dynamic Range Test Chart DRTC-1 Cette mire est constitueacutee de filtres rotatifs et permet de couvrir 155 EVIL La boicircte

agrave lumiegravere nrsquoest pas fournie Le logiciel drsquoanalyse ARRI Aquamat Universal DRTC

est fourni et tourne sous Windows

3 TE264 Cette mire par transparence de 20 zones suivant la norme

ISO 1452415739 preacutesente un contraste de 1 1 000 000 soit un eacutecart

drsquoenviron 20 EV Elle est commercialiseacutee par Image Engineering agrave

moins de 900 F Ce site commercialise eacutegalement de nombreuses autres mires

4 La mire reacutealiseacutee par Alain Sarlat agrave lrsquoEacutecole Nationale Louis LumiegravereCette mire est constitueacutee de deux coins issus drsquoun sensitographe ldquotype 6rdquo La

premiegravere comporte 21 plages par pas de 23 empty et la seconde 21 plages par

pas de 13 empty qui ne couvre que les 7 premiers EV de la gamme supeacuterieure Ces

plages composeacutees de deacutepocircts de carbone sont parfaitement neutres leur eacutetal

et leur colorimeacutetrie ont eacuteteacute controcircleacutees par un spectroradiomegravetre Minolta CS-2000

Les 3 plages les plus claires sont pourvues sur la moitieacute drsquoun filtre neutre 010 dans

le but de cerner de faccedilon plus preacutecise le point de saturation

Cette mire offre au total un eacutecart de 14 EV

Elle est positionneacutee devant une sphegravere inteacutegrante drsquoUlbricht-Blondel

ESSERT offrant un eacutetal suffisant pour la plage testeacutee et une tempeacutera-

ture de couleur de 3200K

Au centre de la mire un cercle vide muni drsquoun bouchon drsquoobturation permet de

mesurer au preacutealable la luminance de la source et de reacutegler ainsi diaphragme et

obturateur de la cameacutera

B Les diffeacuterents types de fichier raw

Lrsquointeacuterecirct du mode RAW est de chercher agrave preacuteserver le maximum drsquoinformation et

de dynamique Crsquoest agrave tort que le RAW est souvent appeleacute Neacutegatif Numeacuterique

puisque comme eacutenonceacute preacuteceacutedemment une partie du deacuteveloppement est

effectueacute dans la cameacutera et que par ailleurs sa progression est positive

Lrsquoinconveacutenient drsquoun fichier RAW est certes drsquoecirctre plus volumineux mais il faut

rappeler qursquoun fichier RAW non deacutematriceacute ne contient que le tiers des informa-

tions que contiendrait un fichier RGB extrapoleacute ou mecircme un fichier composantes

videacuteo YrsquoCbCr non compresseacute avec la mecircme profondeur de quantification Tous

les photographes savent qursquoavec la mecircme profondeur de quantification et

la mecircme reacutesolution un fichier RAW est toujours moins volumineux qursquoun fichier

Photoshop deacutematriceacute et cela dans un rapport de 1 agrave 3 (sans tenir compte des

calques eacuteventuels)

Chaque fabricant a deacuteveloppeacute son propre type drsquoencodage RAW En cas drsquoim-

possibiliteacute de lecture directe des valeurs inscrites dans le fichier RAW (du fait de

lrsquoabsence de communication de la part des fabricants) Adobe DNG Converter

sera utiliseacute pour transformer le RAW en DNG mais sans certitude drsquoune transpa-

rence absolue dans la conversion

Il est indispensable de connaicirctre les diffeacuterents types de solutions dites RAW les

courbes de transfert et les profondeurs de quantification pour comprendre les

limites les avantages et les inconveacutenients de tel ou tel systegraveme

1 Les fichiers DNGLe type de fichier DNG Digital Negatif a eacuteteacute deacuteveloppeacute par Adobe agrave partir de

la structure des fichiers TIFF Tagged Image File Format dans le but de creacuteer un

espeacuteranto des fichiers RAW agrave la fois pour la prise de vue et pour lrsquoarchivage

Crsquoest un format ouvert encodeacute de 8 agrave 32 bits pouvant contenir une image RAW

matriceacutee ou une image deacutejagrave deacuteveloppeacutee crsquoest-agrave-dire deacutematriceacutee

Un fichier DNG peut en theacuteorie ecirctre codeacute en log ou en lineacuteaire sur 8 16 ou 32 bits

avec ou sans compression et inteacutegrer de nombreuses meacutetadonneacutees comme un

profil (LUT) voire une geacuteolocalisation

Un certain nombre de cameacuteras (Varicam LT BlackMagic) ou encore drsquoenre-

gistreurs externes (Atomos Shogun ou un Odyssei 7 Q+) permettent drsquoutiliser

ce mode drsquoenregistrement On peut regretter qursquoun plus grand nombre de

3 MIRES DE CONTRASTE TYPES DE FICHIER ET OUTILS DrsquoANALYSE

3

2524

constructeurs nrsquooffre pas cette option Cependant les videacuteos DNG se

preacutesentent sous forme drsquoun dossier contenant des milliers drsquoimages

DNG ce qui nrsquoest pas forceacutement commode agrave manipuler on a plus

lrsquohabitude en videacuteo de consideacuterer un plan comme un seul fichier

encapsulant toutes les images un code temporel et mecircme le son

Une description tregraves complegravete peut se trouver ici

2 Les fichiers Arri RAWLe systegraveme ARRI RAW se base sur un log C dont la formule et donc la courbe

change selon la sensibiliteacute afficheacutee sur la cameacutera [figure 13] Le traitement se fait

en 16 bits lineacuteaires dans la cameacutera puis est converti en log C sur 10 bits ou 12 bits

avant eacutecriture dans le fichier

Crsquoest donc un fichier RAW en 10 bits ou 12 bits log qui est enregistreacute La courbe

log deacutepend de la sensibiliteacute afficheacutee sur la cameacutera la sensibiliteacute nrsquoest donc pas

une meacutetadonneacutee

Lrsquointeacuterecirct de ce systegraveme est de pouvoir quantifier diffeacuteremment les basses lumiegraveres

ou les hautes lumiegraveres selon le reacuteglage de la sensibiliteacute sur la cameacutera Une sensi-

biliteacute faible privileacutegiera le rendu des hautes lumiegraveres et agrave lrsquoinverse une sensibiliteacute

haute celui des basses lumiegraveres [figure 14]

3 Les fichiers RAW PanasonicLa Varicam Pure est une version de la Varicam 35 eacutequipeacutee drsquoun module parte-

naire Codex permettant drsquoenregistrer en RAW 4096x2160 non compresseacute 12 bits

en V-Log jusqursquoagrave 120 is (10 bits au-delagrave) et srsquoappuyant sur le standard DNG

Agrave noter que la balance des blancs est faite preacutealablement et nrsquoest donc pas une

meacutetadonneacutee Cette gamme de cameacuteras preacutesente eacutegalement la particulariteacute de

posseacuteder deux sensibiliteacutes ISO nominales 800 ISO et 5000 ISO

La Varicam LT peut eacutegalement via une double liaison SDI 3G enregistrer en

RAW sur un Atomos Shogun ou un Odyssei 7 Q+ en DNG Le V-RAW a les mecircmes

caracteacuteristiques que sur la Varicam Pure 4K 12 bits non compresseacute mais jusqursquoagrave

60 is maximum

4 Les fichiers RAW SONY

Sony propose via les interfaces idoines des fichiers RAW X-OCN

(XndashOriginal Camera Negative) 16 bits en mode lineacuteaire X-OCN ST

est la version standard X-OCN LT est la version alleacutegeacutee compresseacutee

sans pertes visibles Sur la Venice Sony propose eacutegalement deux

modes de sensibiliteacute (500 ISO et 2500 ISO) Sur la F65 la tempeacuterature

de couleur nrsquoest pas une meacutetadonneacutee

Plus drsquoinformations ici Figure 13 Fonctions de conversion lineacuteairelog selon le reacuteglage de la sensibiliteacute

3

2726 Figure 14 Courbe de rendu reacutesultante EVlog selon la sensibiliteacute

5 Les fichiers RAW RED

RED a fait du mystegravere un outil marketing RED propose un fichier RED RAW com-

presseacute R3D Lrsquoespace couleur proposeacute est un espace REDWideGamutRGB (RWG)

baseacute sur un blanc D65 et un log sur 10 bits Log3G10 pour lequel le gris agrave 18 se

retrouve agrave 30 de la valeur numeacuterique de sortie

Un SDK (Software Development Kit) est disponible en teacuteleacutechargement

c Les outils logiciels drsquoanalyse utilisaBles

Ces outils permettent de lire directement les valeurs agrave lrsquointeacuterieur de beaucoup

de fichiers RAW donc sans alteacuteration due agrave une interpreacutetation ou deacutematriccedilage

souvent appeleacutee deacuteveloppement

1 Matlab

Matlab est un environnement de deacuteveloppement par scripts orienteacute

matheacutematiques mais aussi traitement de lrsquoimage et traitement du

signal

2 GNU Octave

Disponible pour Linux Max OS ou Windows GNU Octave est une al-

ternative libre et gratuite agrave Matlab

Octave est compatible avec de nombreux scripts Matlab ce qui

eacutevite drsquoavoir agrave reacuteeacutecrire les scripts dans un nouveau langage

3 RAW Digger

Raw Digger est un outil drsquoanalyse des fichiers RAW Ce nrsquoest pas un

outil de laquo deacuteveloppement raquo RAW La version complegravete permet de

creacuteer des grilles drsquoanalyse de lrsquoimage et drsquoexporter les valeurs issues

du fichier RAW dans un fichier de type tableau de donneacutees CSV

Cette version permet eacutegalement de creacuteer des profils (LUT)

Workflow White paper SDK

2928

a Meacutethodes de la norme iso 12232

Quelles sont les causes de deacutegradation de lrsquoimage de part et drsquoautre de lrsquoexpo-

sition optimale

La sous-exposition (signal trop faible) donne une image avec du bruit en par-

ticulier dans les basses lumiegraveres Dans ce cas lrsquoexposition minimale deacutepend du

niveau de bruit que lrsquoon peut toleacuterer notion subjective

La sur-exposition (signal satureacute) conduit agrave un eacutecrecirctage de toutes les hautes lu-

miegraveres au delagrave du point de saturation valeur deacuteterminable de maniegravere objective

Publieacutee pour la premiegravere fois en 1998 et reacuteactualiseacutee depuis la norme ISO

122322006(E) destineacutee aux appareils photo numeacuteriques (Digital Still Cameras)

deacutefinit lrsquoindice drsquoexposition recommandeacute et la sensibiliteacute ISO

La norme propose deux meacutethodes de calcul qui donnent des valeurs de sensi-

biliteacute diffeacuterentes

une meacutethode baseacutee sur la saturation du signal donc caleacutee sur les hautes lumiegraveres

une meacutethode baseacutee sur le bruit donc caleacutee sur les basses lumiegraveres

Ces deux meacutethodes aboutissent agrave des indices drsquoexposition diffeacuterents pour une

mecircme OETF3

Pour chacune de ces meacutethodes la norme considegravere deux approches

sans objectif mdash mesure photomeacutetrique dans le plan focal

avec objectif mdash mesure photomeacutetrique sur charte de gris

Lrsquointeacuterecirct de chaque mode de calcul ISO deacutepend du type drsquoapplication

Lorsque les conditions drsquoeacuteclairage sont controcircleacutees comme lors drsquoune prise de

vues en studio les indices drsquoexposition sont seacutelectionneacutes pour donner la meilleure

image possible avec les hautes lumiegraveres de lrsquoimage tombant juste en dessous du

point de saturation Ce type de situation drsquoexposition est deacutecrit par lrsquoindice ISO

baseacute sur la saturation

Lorsque les conditions drsquoeacuteclairage sont infeacuterieures aux conditions ideacuteales un

indice ISO baseacute sur le bruit est plus utile Dans ce calcul le rapport signal sur

bruit (SNR Signal to Noise Ratio) est utiliseacute pour calculer lrsquoindice ISO Cet indice

ISO (S) correspond au reacuteglage maximal de lrsquoindice drsquoexposition pour atteindre

le rapport SNR =10 (premiegravere image acceptable) et SNR = 40 (premiegravere image

excellente)

3 OETF Opto-Electronic Transfer Function crsquoest la courbe de transfert luminationvaleurs numeacute-riques encodeacutees En numeacuterique ce terme est impropre car nous ne mesurons pas des tensions en sortie de capteur mais des valeurs numeacuteriques apregraves conversion analogiquenumeacuterique avec parfois des modifications effectueacutees dans la cameacutera avant mecircme cette eacutetape Cependant OETF est le terme utiliseacute internationalement par les diffeacuterents instituts de normalisation Nous lrsquoutiliserons donc dans cette eacutetude

4 MEacuteTHODOLOGIE 1 Meacutethode du plan focal

Le capteur est eacuteclaireacute sans objectif par une source tungstegravene basse tension

reacuteguleacutee de faccedilon que la distance entre le capteur et la source soit telle que les

plus larges dimensions de la source ou du capteur ne soient pas plus grandes que

120egraveme de la distance source capteur pour qursquoainsi lrsquoeacuteclairement soit uniforme

Lrsquoeacuteclairement est pris au luxmegravetre au niveau du plan focal donc en reculant lrsquoap-

pareil pour la mesure Le temps de pose ne doit pas exceacuteder 130egraveme de seconde

La sensibiliteacute baseacutee sur le rapport signal sur bruit (SNR) est deacutetermineacutee par

Snoise10

= 10 H SN10

pour SNR = 10 (Premiegravere image acceptable)

Snoise40

= 10 H SN40

pour SNR = 40 (Premiegravere image excellente)

H est la lumination en luxsecondes avec H = Et pour chacune des deux condi-

tions (E est lrsquoeacuteclairement en lux t est le temps drsquoexposition en secondes)

La sensibiliteacute baseacutee sur le point de saturation est deacutetermineacutee par

Ssat

= 78 HSAT

HSAT

est la lumination qui produit le signal valide maximal (non eacutecrecircteacute et sans

artefact drsquoeacuteblouissement de type bloom ou smear) appeleacutee aussi point de

saturation

2 Meacutethode baseacutee sur la moyenne arithmeacutetique de la luminance de la scegraveneCette meacutethode utilise un objectif et est donc particuliegraverement adapteacutee aux ap-

pareils photo compacts

Elle consiste dans un premier temps agrave calculer la luminance moyenne de la

scegravene en cdmsup2 Le plus simple est de filmer une charte de gris neutre agrave 18 uni-

formeacutement eacuteclaireacutee remplissant totalement lrsquoimage le point eacutetant fait sur lrsquoinfini

pour ne pas introduire de coefficient de tirage

La sensibiliteacute baseacutee sur le rapport signal sur bruit est deacutetermineacutee de la maniegravere

suivante

Pour mesurer la luminance de la scegravene lrsquoeacuteclairage est gradueacute jusqursquoagrave ce que

lrsquoimage de la charte agrave 18 produise une valeur de sortie moyenne eacutegale agrave

18106 de lrsquoeacutechelle entiegravere Pendant ce reacuteglage le temps drsquoexposition est main-

tenu constant Lrsquoeacutechelle entiegravere est atteinte soit degraves que lrsquoimageur sature soit degraves

que le convertisseur AN (analogique-numeacuterique) de la cameacutera atteint sa valeur

maximale La sensibiliteacute ISO est alors donneacutee par la formule

4

3130

N ouverture photomeacutetrique de lrsquoobjectif utiliseacute pour la mesure

LSN x

luminance en cdmsup2 de la charte de gris agrave 18 engendrant les rapports

SNR = 10 ou SNR = 40

t temps drsquoexposition en secondes

154 constante deacutetermineacutee pour un objectif agrave 90 de transmission un facteur

de vignettage de 098 et moins de 10deg drsquoeacutecart par rapport agrave lrsquoaxe de la scegravene

Elle peut ecirctre calculeacutee en tenant compte de la formule de transfert

La sensibiliteacute baseacutee sur le point de saturation est deacutetermineacutee de la maniegravere

suivante

Ou encore en appliquant la formule de transfert

Lsat

luminance en cdmsup2 de la charte de gris agrave 18 au point de saturation

B meacutethode deacuteveloppeacutee par alain sarlat

Alain Sarlat enseignant agrave lrsquoEacutecole Louis Lumiegravere a deacuteveloppeacute une meacutethode

originale La solution retenue est une solution avec objectif Elle consiste agrave filmer

une mire composeacutee de deux gammes de gris reacutetro-eacuteclaireacutees agrave lrsquoaide drsquoune

seule et mecircme optique dite de reacutefeacuterence (voir partie 2B3) Lrsquooptique retenue

est un 50 mm Zeiss Planar en monture PL qui sera adapteacute sur toutes les cameacuteras

Cette optique sera aussi utiliseacutee pour les mesures de reacuteponses spectrales Elle

est caracteacuteriseacutee en terme de transmission spectrale les courbes OETF obtenues

sont pondeacutereacutees par ce facteur (voir partie 4F)

Lrsquoideacutee centrale de cette meacutethode repose sur le principe drsquoexposition pour les

hautes lumiegraveres comme en positif On lit les valeurs numeacuteriques RGB du fichier

RAW et on trace la courbe OETF (luminationvaleurs numeacuteriques) Les valeurs

de chaque plage de la mire sont lues directement dans le fichier RAW via un

script MATLAB sur une moyenne de 30 images pour minimiser lrsquoincidence du

bruit inter-image

Cela permet de tracer la courbe OETF [figure 15] avec

En abscisse le log binaire des luminations (log2(H)) pour revenir agrave une eacutechelle

pseudo-psychomeacutetrique ou un eacutecart drsquoune uniteacute repreacutesente 1 EV

En ordonneacutee le log binaire des valeurs numeacuteriques relatives log2(Vnr)

Figure 15 Courbe OETF drsquoune cameacutera numeacuterique

42n ndash1

3332

4

1 Estimation de la sensibiliteacute

Alors qursquoen argentique les calculs de la sensibiliteacute et de lrsquoeacutetendue utile se calent

sur le pied de courbe et les basses lumiegraveres ce calage se fera ici sur les hautes lu-

miegraveres agrave partir du point de saturation agrave lrsquoinstar drsquoun film inversible ce point eacutetant

la limite absolue de la lumination au-delagrave de laquelle le capteur ne module plus

On considegravere la lumination H exprimeacutee en luxsecondes comme reacuteciproque donc

H = E times t

H lumination en luxsecondes

E eacuteclairement du capteur en lux

t temps drsquoexposition en secondes

En neacutegligeant le flare la formule de transfert photomeacutetrique nous donne la lumi-

nation reccedilue par le capteur pour le point de saturation Hs4

Ls luminance de la plage de saturation sur la mire en cdmsup2

N ouverture photomeacutetrique

t temps drsquoexposition en secondes

Nous en deacuteduisons

Par ailleurs comme EV = 2 log2(N) ndash log

2(t) et EV = log

2 (Lm) + log

2(S) ndash log

2(k)

nous obtenons

Lm luminance de la plage de gris moyen (18 ) diffus

S indice drsquoexposition

k facteur deacutependant de lrsquoeacutetalonnage du posemegravetre

Drsquoougrave nous obtenons

Avec un facteur k de 125 nous trouvons

Ls Lm exprime le rapport de contraste lineacuteaire entre le point de saturation et le

point 18 diffus

Si nous consideacuterons que nous avons 2 EV drsquoeacutecart entre le point 18 et le point

80 13 drsquoEV entre le point 80 et le point 100 diffus et qursquoun 100 speacuteculaire

serait prod (Pi) fois plus grand5 ce qui correspond agrave 1 EV + 23 nous avons au total

un eacutecart de 4 EV entre le 18 diffus et le 100 speacuteculaire soit 2hellip4hellip8hellip16 donc

un eacutecart de 16 en lineacuteaire

Nous obtenons

Cette meacutethode ne preacutetend pas proposer une norme Crsquoest plus une strateacutegie

drsquoexposition en fonction de lrsquoindice drsquoexposition choisi on se placera dans une

partie ou lrsquoautre de la courbe

2 Estimation de lrsquoeacutetendue utile

Lrsquoeacutetendue utile (en anglais dynamic range) est la plage de modulation entre

le niveau de bruit acceptable et le seuil de laquo saturation raquo du capteur Crsquoest le

nombre drsquoEVIL (Exposure Value ou Indice de Lumination) que la cameacutera est

capable de traduire La latitude drsquoexposition agrave ne pas confondre est elle le droit

agrave lrsquoerreur

Par rapport agrave notre eacutechelle EVIL qui est un log en base 2 ou log binaire la

deacutecharge du capteur dans la cameacutera est lineacuteaire quoiqursquoune recherche et des

applications industrielles existent pour des capteurs log Cela veut donc dire que

la premiegravere plage EVIL celle correspondant agrave la zone la plus claire enregistrable

sous le point de saturation occupera la moitieacute de lrsquoespace de quantification la

seconde plage la moitieacute restante donc le quart de lrsquoespace de quantification la

plage suivante le 18 de lrsquoespace de quantification etc

4 La simplification de lrsquoeacutequation de transfert photomeacutetrique aux conditions geacuteneacuterales de prise de vue aboutit agrave un coefficient de 065 Alain Sarlat propose drsquoapproximer agrave une puissance de 2 pour simplifier les calculs

5 Dans le cas drsquoune reacuteflexion diffuse nous avons luminance = (eacuteclairement times albeacutedo)prodSi la reacuteflexion est spectrale on a luminance = eacuteclairement times albeacutedo

3534

4

Ceci explique pourquoi il est neacutecessaire de poser au plus juste en numeacuterique et

qursquoune sous-exposition systeacutematique provoquera du bruit pourquoi eacutegalement

les cameacuteras doivent travailler en interne sur un nombre de bits le plus eacuteleveacute possi-

ble Cela explique eacutegalement aussi tout lrsquointeacuterecirct drsquoune courbe de type log ou agrave

deacutefaut drsquoune courbe de gamma [figure 16]

Une table de correspondance EV pour une cellule Sekonic Master

1egravere geacuteneacuteration est agrave teacuteleacutecharger ici

Un tutoriel sur les logs peut ecirctre teacuteleacutechargeacute ici

Avec la courbe OETF obtenue par la meacutethode de Alain Sarlat il suffit

de lire sur le graphe le nombre de valeurs EV disponibles entre la

plage se distinguant suffisamment du bruit pour ecirctre exploitable et

le point de saturation [figure 17]

Figure 17 Mesures reacutealiseacutees par Eleacutena Erhel

Figure 16

Vous pouvez teacuteleacutecharger lrsquointeacutegraliteacute du fichier ici

3130

N ouverture photomeacutetrique de lrsquoobjectif utiliseacute pour la mesure

LSN x

luminance en cdmsup2 de la charte de gris agrave 18 engendrant les rapports

SNR = 10 ou SNR = 40

t temps drsquoexposition en secondes

154 constante deacutetermineacutee pour un objectif agrave 90 de transmission un facteur

de vignettage de 098 et moins de 10deg drsquoeacutecart par rapport agrave lrsquoaxe de la scegravene

Elle peut ecirctre calculeacutee en tenant compte de la formule de transfert

La sensibiliteacute baseacutee sur le point de saturation est deacutetermineacutee de la maniegravere

suivante

Ou encore en appliquant la formule de transfert

Lsat

luminance en cdmsup2 de la charte de gris agrave 18 au point de saturation

B meacutethode deacuteveloppeacutee par alain sarlat

Alain Sarlat enseignant agrave lrsquoEacutecole Louis Lumiegravere a deacuteveloppeacute une meacutethode

originale La solution retenue est une solution avec objectif Elle consiste agrave filmer

une mire composeacutee de deux gammes de gris reacutetro-eacuteclaireacutees agrave lrsquoaide drsquoune

seule et mecircme optique dite de reacutefeacuterence (voir partie 2B3) Lrsquooptique retenue

est un 50 mm Zeiss Planar en monture PL qui sera adapteacute sur toutes les cameacuteras

Cette optique sera aussi utiliseacutee pour les mesures de reacuteponses spectrales Elle

est caracteacuteriseacutee en terme de transmission spectrale les courbes OETF obtenues

sont pondeacutereacutees par ce facteur (voir partie 4F)

Lrsquoideacutee centrale de cette meacutethode repose sur le principe drsquoexposition pour les

hautes lumiegraveres comme en positif On lit les valeurs numeacuteriques RGB du fichier

RAW et on trace la courbe OETF (luminationvaleurs numeacuteriques) Les valeurs

de chaque plage de la mire sont lues directement dans le fichier RAW via un

script MATLAB sur une moyenne de 30 images pour minimiser lrsquoincidence du

bruit inter-image

Cela permet de tracer la courbe OETF [figure 15] avec

En abscisse le log binaire des luminations (log2(H)) pour revenir agrave une eacutechelle

pseudo-psychomeacutetrique ou un eacutecart drsquoune uniteacute repreacutesente 1 EV

En ordonneacutee le log binaire des valeurs numeacuteriques relatives log2(Vnr)

Figure 15 Courbe OETF drsquoune cameacutera numeacuterique

42n ndash1

3332

4

1 Estimation de la sensibiliteacute

Alors qursquoen argentique les calculs de la sensibiliteacute et de lrsquoeacutetendue utile se calent

sur le pied de courbe et les basses lumiegraveres ce calage se fera ici sur les hautes lu-

miegraveres agrave partir du point de saturation agrave lrsquoinstar drsquoun film inversible ce point eacutetant

la limite absolue de la lumination au-delagrave de laquelle le capteur ne module plus

On considegravere la lumination H exprimeacutee en luxsecondes comme reacuteciproque donc

H = E times t

H lumination en luxsecondes

E eacuteclairement du capteur en lux

t temps drsquoexposition en secondes

En neacutegligeant le flare la formule de transfert photomeacutetrique nous donne la lumi-

nation reccedilue par le capteur pour le point de saturation Hs4

Ls luminance de la plage de saturation sur la mire en cdmsup2

N ouverture photomeacutetrique

t temps drsquoexposition en secondes

Nous en deacuteduisons

Par ailleurs comme EV = 2 log2(N) ndash log

2(t) et EV = log

2 (Lm) + log

2(S) ndash log

2(k)

nous obtenons

Lm luminance de la plage de gris moyen (18 ) diffus

S indice drsquoexposition

k facteur deacutependant de lrsquoeacutetalonnage du posemegravetre

Drsquoougrave nous obtenons

Avec un facteur k de 125 nous trouvons

Ls Lm exprime le rapport de contraste lineacuteaire entre le point de saturation et le

point 18 diffus

Si nous consideacuterons que nous avons 2 EV drsquoeacutecart entre le point 18 et le point

80 13 drsquoEV entre le point 80 et le point 100 diffus et qursquoun 100 speacuteculaire

serait prod (Pi) fois plus grand5 ce qui correspond agrave 1 EV + 23 nous avons au total

un eacutecart de 4 EV entre le 18 diffus et le 100 speacuteculaire soit 2hellip4hellip8hellip16 donc

un eacutecart de 16 en lineacuteaire

Nous obtenons

Cette meacutethode ne preacutetend pas proposer une norme Crsquoest plus une strateacutegie

drsquoexposition en fonction de lrsquoindice drsquoexposition choisi on se placera dans une

partie ou lrsquoautre de la courbe

2 Estimation de lrsquoeacutetendue utile

Lrsquoeacutetendue utile (en anglais dynamic range) est la plage de modulation entre

le niveau de bruit acceptable et le seuil de laquo saturation raquo du capteur Crsquoest le

nombre drsquoEVIL (Exposure Value ou Indice de Lumination) que la cameacutera est

capable de traduire La latitude drsquoexposition agrave ne pas confondre est elle le droit

agrave lrsquoerreur

Par rapport agrave notre eacutechelle EVIL qui est un log en base 2 ou log binaire la

deacutecharge du capteur dans la cameacutera est lineacuteaire quoiqursquoune recherche et des

applications industrielles existent pour des capteurs log Cela veut donc dire que

la premiegravere plage EVIL celle correspondant agrave la zone la plus claire enregistrable

sous le point de saturation occupera la moitieacute de lrsquoespace de quantification la

seconde plage la moitieacute restante donc le quart de lrsquoespace de quantification la

plage suivante le 18 de lrsquoespace de quantification etc

4 La simplification de lrsquoeacutequation de transfert photomeacutetrique aux conditions geacuteneacuterales de prise de vue aboutit agrave un coefficient de 065 Alain Sarlat propose drsquoapproximer agrave une puissance de 2 pour simplifier les calculs

5 Dans le cas drsquoune reacuteflexion diffuse nous avons luminance = (eacuteclairement times albeacutedo)prodSi la reacuteflexion est spectrale on a luminance = eacuteclairement times albeacutedo

3534

4

Ceci explique pourquoi il est neacutecessaire de poser au plus juste en numeacuterique et

qursquoune sous-exposition systeacutematique provoquera du bruit pourquoi eacutegalement

les cameacuteras doivent travailler en interne sur un nombre de bits le plus eacuteleveacute possi-

ble Cela explique eacutegalement aussi tout lrsquointeacuterecirct drsquoune courbe de type log ou agrave

deacutefaut drsquoune courbe de gamma [figure 16]

Une table de correspondance EV pour une cellule Sekonic Master

1egravere geacuteneacuteration est agrave teacuteleacutecharger ici

Un tutoriel sur les logs peut ecirctre teacuteleacutechargeacute ici

Avec la courbe OETF obtenue par la meacutethode de Alain Sarlat il suffit

de lire sur le graphe le nombre de valeurs EV disponibles entre la

plage se distinguant suffisamment du bruit pour ecirctre exploitable et

le point de saturation [figure 17]

Figure 17 Mesures reacutealiseacutees par Eleacutena Erhel

Figure 16

Vous pouvez teacuteleacutecharger lrsquointeacutegraliteacute du fichier ici

3332

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1 Estimation de la sensibiliteacute

Alors qursquoen argentique les calculs de la sensibiliteacute et de lrsquoeacutetendue utile se calent

sur le pied de courbe et les basses lumiegraveres ce calage se fera ici sur les hautes lu-

miegraveres agrave partir du point de saturation agrave lrsquoinstar drsquoun film inversible ce point eacutetant

la limite absolue de la lumination au-delagrave de laquelle le capteur ne module plus

On considegravere la lumination H exprimeacutee en luxsecondes comme reacuteciproque donc

H = E times t

H lumination en luxsecondes

E eacuteclairement du capteur en lux

t temps drsquoexposition en secondes

En neacutegligeant le flare la formule de transfert photomeacutetrique nous donne la lumi-

nation reccedilue par le capteur pour le point de saturation Hs4

Ls luminance de la plage de saturation sur la mire en cdmsup2

N ouverture photomeacutetrique

t temps drsquoexposition en secondes

Nous en deacuteduisons

Par ailleurs comme EV = 2 log2(N) ndash log

2(t) et EV = log

2 (Lm) + log

2(S) ndash log

2(k)

nous obtenons

Lm luminance de la plage de gris moyen (18 ) diffus

S indice drsquoexposition

k facteur deacutependant de lrsquoeacutetalonnage du posemegravetre

Drsquoougrave nous obtenons

Avec un facteur k de 125 nous trouvons

Ls Lm exprime le rapport de contraste lineacuteaire entre le point de saturation et le

point 18 diffus

Si nous consideacuterons que nous avons 2 EV drsquoeacutecart entre le point 18 et le point

80 13 drsquoEV entre le point 80 et le point 100 diffus et qursquoun 100 speacuteculaire

serait prod (Pi) fois plus grand5 ce qui correspond agrave 1 EV + 23 nous avons au total

un eacutecart de 4 EV entre le 18 diffus et le 100 speacuteculaire soit 2hellip4hellip8hellip16 donc

un eacutecart de 16 en lineacuteaire

Nous obtenons

Cette meacutethode ne preacutetend pas proposer une norme Crsquoest plus une strateacutegie

drsquoexposition en fonction de lrsquoindice drsquoexposition choisi on se placera dans une

partie ou lrsquoautre de la courbe

2 Estimation de lrsquoeacutetendue utile

Lrsquoeacutetendue utile (en anglais dynamic range) est la plage de modulation entre

le niveau de bruit acceptable et le seuil de laquo saturation raquo du capteur Crsquoest le

nombre drsquoEVIL (Exposure Value ou Indice de Lumination) que la cameacutera est

capable de traduire La latitude drsquoexposition agrave ne pas confondre est elle le droit

agrave lrsquoerreur

Par rapport agrave notre eacutechelle EVIL qui est un log en base 2 ou log binaire la

deacutecharge du capteur dans la cameacutera est lineacuteaire quoiqursquoune recherche et des

applications industrielles existent pour des capteurs log Cela veut donc dire que

la premiegravere plage EVIL celle correspondant agrave la zone la plus claire enregistrable

sous le point de saturation occupera la moitieacute de lrsquoespace de quantification la

seconde plage la moitieacute restante donc le quart de lrsquoespace de quantification la

plage suivante le 18 de lrsquoespace de quantification etc

4 La simplification de lrsquoeacutequation de transfert photomeacutetrique aux conditions geacuteneacuterales de prise de vue aboutit agrave un coefficient de 065 Alain Sarlat propose drsquoapproximer agrave une puissance de 2 pour simplifier les calculs

5 Dans le cas drsquoune reacuteflexion diffuse nous avons luminance = (eacuteclairement times albeacutedo)prodSi la reacuteflexion est spectrale on a luminance = eacuteclairement times albeacutedo

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4

Ceci explique pourquoi il est neacutecessaire de poser au plus juste en numeacuterique et

qursquoune sous-exposition systeacutematique provoquera du bruit pourquoi eacutegalement

les cameacuteras doivent travailler en interne sur un nombre de bits le plus eacuteleveacute possi-

ble Cela explique eacutegalement aussi tout lrsquointeacuterecirct drsquoune courbe de type log ou agrave

deacutefaut drsquoune courbe de gamma [figure 16]

Une table de correspondance EV pour une cellule Sekonic Master

1egravere geacuteneacuteration est agrave teacuteleacutecharger ici

Un tutoriel sur les logs peut ecirctre teacuteleacutechargeacute ici

Avec la courbe OETF obtenue par la meacutethode de Alain Sarlat il suffit

de lire sur le graphe le nombre de valeurs EV disponibles entre la

plage se distinguant suffisamment du bruit pour ecirctre exploitable et

le point de saturation [figure 17]

Figure 17 Mesures reacutealiseacutees par Eleacutena Erhel

Figure 16

Vous pouvez teacuteleacutecharger lrsquointeacutegraliteacute du fichier ici

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Ceci explique pourquoi il est neacutecessaire de poser au plus juste en numeacuterique et

qursquoune sous-exposition systeacutematique provoquera du bruit pourquoi eacutegalement

les cameacuteras doivent travailler en interne sur un nombre de bits le plus eacuteleveacute possi-

ble Cela explique eacutegalement aussi tout lrsquointeacuterecirct drsquoune courbe de type log ou agrave

deacutefaut drsquoune courbe de gamma [figure 16]

Une table de correspondance EV pour une cellule Sekonic Master

1egravere geacuteneacuteration est agrave teacuteleacutecharger ici

Un tutoriel sur les logs peut ecirctre teacuteleacutechargeacute ici

Avec la courbe OETF obtenue par la meacutethode de Alain Sarlat il suffit

de lire sur le graphe le nombre de valeurs EV disponibles entre la

plage se distinguant suffisamment du bruit pour ecirctre exploitable et

le point de saturation [figure 17]

Figure 17 Mesures reacutealiseacutees par Eleacutena Erhel

Figure 16

Vous pouvez teacuteleacutecharger lrsquointeacutegraliteacute du fichier ici

3736

c meacutethode deacuteveloppeacutee par Baptiste magnien

La meacutethode imagineacutee par Baptiste Magnien pour eacutevaluer la sensibiliteacute et lrsquoeacuteten-

due utile drsquoun appareil photo preacutesente lrsquoavantage de nrsquoutiliser qursquoun mateacuteriel

rudimentaire eacuteclairage charte de gris et cellule

1 Dispositif expeacuterimentalLa meacutethode consiste agrave photographier une charte de gris agrave 18 [figure 18]

Lrsquoouverture (diaphragme) et la sensibiliteacute afficheacutes sont fixes On fait varier lrsquoexpo-

sition en changeant le temps de pose de 13 en 13 de valeur EV

Les valeurs trouveacutees sur lrsquoimage sont lues avec la pipette dans After Effects Pho-

toshop (pour lecture des valeurs deacutematriceacutees en RVB) ou Raw Digger (pour lec-

ture directe des valeurs du Raw)

Appareil testeacute Nikon D810 eacutequipeacute drsquoun objectif Nikon 50 mm

Les prises de vues ont eacuteteacute faites agrave deux sensibiliteacutes afficheacutees sur lrsquoappareil

100 ISO et 800 ISO soit un eacutecart de 3 EV

Diaphragme fixe afficheacute sur lrsquoobjectif 2 + 23

Les diffeacuterentes expositions ont eacuteteacute faites en faisant varier le temps de pose entre

18000 s et 15 s soit 17 EV chaque variation du temps de pose correspondant agrave

13 drsquoEV

Pour chaque seacuterie drsquoessais il y a donc 51 valeurs drsquoexpositions

Lrsquoexposition dite ldquonormaleldquo ou key light crsquoest agrave dire celle correspondant agrave la

sensibiliteacute choisie est

Pour 100 ISO 16 s agrave Oslash 2 + 23

Pour 800 ISO 150 s agrave Oslash 2 + 23

Les fichiers RAW ont eacuteteacute analyseacutes via Raw Digger et traceacutes sous Excel

4

2 Tableaux et courbes

Tableau 3 Tableaux des valeurs numeacuteriques moyennes Le delta EV est caleacute sur le KL du gris agrave 18

100 ISO 50 mm f32 KL = 16 s 800 ISO 50 mm f32 KL = 150 s

Figure 18 Dispositif expeacuterimental

3938 Figure 19 Courbes RGB Nikon D810 agrave 100 ISO avec un 50 mm

4

Figure 20 Courbes RGB Nikon D810 agrave 800 ISO avec un 50 mm

4140

3 Analyses et interpreacutetations

Pour lrsquoanalyse des courbes et pour les calculs de sensibiliteacutes cette meacutethode se

base sur la courbe verte conformeacutement agrave la sensibiliteacute spectrale de lrsquoœil Pour la

deacutetermination du niveau de bruit dans les basses lumiegraveres elle analyse les trois

courbes

Les deux courbes 100 ISO et 800 ISO sont parfaitement parallegraveles elles sont deacute-

caleacutees sur lrsquoaxe horizontal de trois EV

Dans les deux cas le Keylight crsquoest-agrave-dire le temps drsquoexposition neacutecessaire pour

obtenir un diaphragme de Oslash 2 + 23 agrave 16 s pour 100 ISO 150 s pour 800 ISO don-

ne la mecircme valeur de codage numeacuterique 1300 et dans les deux cas ce point est

situeacute agrave 3 EV 23 en dessous du point de saturation

La sensibiliteacute ISO afficheacutee nrsquoest pas une meacutetadonneacutee crsquoest en fonction de cette

sensibiliteacute que lrsquoappareil place le 18 et le point de saturation Il nrsquoest donc pas

possible de deacuteterminer la sensibiliteacute native du capteur En revanche il est possible

de choisir la position du 18 En travaillant avec la sensibiliteacute afficheacutee sur lrsquoappa-

reil le 18 sera agrave 3 EV 23 sous le point de saturation En travaillant avec un ISO

drsquoun EV plus eacuteleveacute que celui afficheacute sur lrsquoappareil le 18 sera agrave 4 EV 23 sous le

point de saturation ce qui fera gagner un EV de latitude dans les hautes lumiegraveres

mais en fera perdre un dans les basses lrsquoeacutetendue utile restant la mecircme Il est pos-

sible bien-sucircr drsquoaugmenter la latitude vers les basses lumiegraveres en choisissant une

sensibiliteacute moins forte mais dans ce cas lagrave crsquoest dans les hautes qursquoon aura moins

de marge de manœuvre

Sur le graphe 100 ISO les trois courbes restent coheacuterentes jusqursquoagrave ndash10 EV point agrave

partir duquel la courbe du bleu commence agrave deacutevier Agrave ndash10 EV 23 le bruit dans

le bleu devient ldquoinacceptableldquo On pourrait donc consideacuterer que lrsquoeacutetendue utile

de cet appareil reacutegleacute sur 100 ISO est 10 EV 23

Sur le graphe 800 ISO le niveau de bruit est difficilement repeacuterable il nous manque

des informations dans les basses lumiegraveres Cela eacutetant on constate une cassure agrave

ndash10 EV sur la courbe bleue on pourrait donc dire que lrsquoeacutetendue utile est de 10 EV

Cependant agrave 800 ISO comme agrave 100 ISO il est tout agrave fait possible de rajouter un EV

dans les basses lumiegraveres Tout deacutepend de lrsquoeacuteclairage geacuteneacuteral de la photo de la

couleur dominante dans les basses lumiegraveres du cadre et du goucirct du photographe

Toutes ces mesures ont eacuteteacute faites agrave partir des fichiers Raw

En argentique le sensitogramme est mesureacute apregraves deacuteveloppement de la

pellicule Pour cette raison Baptiste Magnien a aussi fait des mesures agrave par-

tir des fichiers TIFF ou JPEG apregraves deacutematriccedilage dans lrsquoappareil On ob-

tient dans ce cas-lagrave des courbes qui se rapprochent plus de la courbe

caracteacuteristique du film argentique en particulier au niveau du pied de courbe

4

Figure 21 Courbes vertes Nikon 810 agrave 100 et 800 ISO avec un 50 mm

4342

d Deacutetermination de la sensiBiliteacute selon les donneacutees constructeur

Parfois le constructeur preacuteconise un diaphragme pour un eacuteclairement donneacute en

lux et pour un temps de pose de 150egraveme de seconde

On peut appliquer la formule suivante

EV = log2 ( E b ) avec b = 33

ISO = arrondi ( 500 times Nsup2 ( 6 times 2(EV-6) )

E eacuteclairement en lux

N ouverture preacuteconiseacutee par le constructeur

b facteur deacutependant de lrsquoeacutetalonnage

du posemegravetre et de son diffuseur

On peut eacutegalement se rappeler du tableau suivant au 150egraveme

ISO Diaph Lux

100 28 1000

On peut donc par proportionnaliteacute si on connait le nombre de lux et lrsquoouverture

en deacuteduire la sensibiliteacute

e La caracteacuterisation du Bruit

La courbe de reacuteponse extraite du RAW ne prend pas en compte la possibiliteacute de

traitement du bruit Pour quantifier le bruit on peut effectuer le calcul de lrsquoeacutecart

type des valeurs de chaque plage au sein drsquoune image et entre plusieurs images

et on deacutefinit une diffeacuterence de lumination acceptable entre deux pixels pour

que lrsquoinformation soit lisible On deacutefinit ainsi la lumination agrave partir de laquelle la

cameacutera est capable de restituer laquo correctement raquo lrsquoinformation Notons que la

quantiteacute de bruit acceptable est une notion totalement subjective qui deacutepend

de choix estheacutetiques et de la nature mecircme du sujet

De plus si une norme ISO 12232 deacutefinit le bruit pour les capteurs photo elle nrsquoest

pas applicable aux cameacuteras car la succession des images dissimule le bruit sur

une image animeacutee en photo argentique 24x36 un agrandissement A3 A2 ou A1

constitue une bonne performance mais une image film argentique 35 mm deux

fois plus petite se projette elle aiseacutement sur un eacutecran de 6 m de base De mecircme

en videacuteo la succession des images et le bruit inter image tendent agrave dissimuler le

bruit intra image

4544

0

4

f La mesure de reacuteponse spectrale

La mesure de reacuteponse spectrale srsquoeffectue via une source OL490 Agile Light

Source Cette source spectrale programmable est constitueacutee drsquoune lampe Xeacute-

non et drsquoun reacuteseau de diffraction en face duquel se trouve une matrice agrave mi-

cro-miroirs de type DLP Le reacuteseau va deacutecomposer la lumiegravere en un spectre que

le systegraveme optique et la matrice DLP vont recomposer selon une table program-

mable avec une reacutesolution de 5 nm [figure 21]

La matrice DLP peut ecirctre piloteacutee via une interface USB controcircleacutee par un logiciel

pour reproduire le plus fidegravelement possible la table drsquoun illuminant standard D65

ou celle drsquoun illuminant A ou toute autre table en particulier correspondant au

corps noir agrave une tempeacuterature donneacutee Pour reproduire les extreacutemiteacutes du spectre

UV et IR ce dispositif peut ecirctre compleacuteteacute drsquoune source au deuteacuterium (UV) et

drsquoune simple lampe agrave incandescence (IR)

La lecture directe des valeurs numeacuteriques R G B dans le fichier RAW via un script

Matlab va permettre de tracer trois courbes R G et B On cale les courbes des

valeurs du rouge et du bleu sur la courbe des valeurs du vert qui constituera le

100 ces courbes eacutetant donc relatives agrave cette derniegravere ceci conformeacutement agrave

la sensibiliteacute spectrale de lrsquoœil humain moyen La courbe verte apparaitra donc

comme une droite horizontale les courbes vertes et bleues repreacutesentant des

pourcentages de cette derniegravere Si les trois courbes se croisent on peut estimer

qursquoon se trouve agrave la tempeacuterature de couleur ideacuteale du capteur celle geacuteneacuterant

a priori le moins de bruit Une seule cameacutera la Varicam LT reacutepond agrave ce critegravere

[figure 22]

Figure 22 Principe de la creacuteation drsquoune table drsquoilluminant agrave lrsquoaide drsquoun reacuteseau et drsquoune matrice DLP

Figure 23 Exemples de reacuteponses de cameacuteras selon la Tempeacuterature de Couleur

Reacuteponse des canaux RVB de la VARICAM LT en fonction de la tempeacuterature de couleur

Reacuteponse des canaux RVB de lrsquoAlexa Studio en fonction de la tempeacuterature de couleur

4746

4

Il est important de noter pour

eacuteviter une confusion souvent

releveacutee que les diffeacuterents gam-

uts proposeacutes par les fabricants

Sony S-Gamut Varicam V-Gam-

ut RED RWG ou mecircme lrsquoespace

ACES ne correspondent en rien

agrave lrsquoespace reacuteel drsquoanalyse drsquoun

capteur mais sont des espaces

de travail et de calcul capa-

bles drsquoenglober lrsquoespace de la

cameacutera qui reste agrave deacutefinir et

si possible tous les espaces de

destination rec 2020 DCI P3 ou

rec 709 En effet les longueurs

drsquoonde invisibles pour lrsquoœil hu-

main ne peuvent se situer que

dans le prolongement du fer agrave

cheval repreacutesentant le spec-

trum locus correspondant agrave

lrsquoemplacement des lumiegraveres

monochromatiques ou encore

spectrales et cela agrave droite

dans le domaine de lrsquoinfra-

rouge et agrave gauche dans celui

de lrsquoultraviolet Les primaires re-

tenues au-delagrave de cette ligne

et situeacutees donc agrave lrsquoexteacuterieur du

fer agrave cheval sont des primaires

virtuelles qui ne correspondent

agrave aucune radiation eacutelectro-

magneacutetique existante

Notons qursquoil serait tout agrave fait il-

lusoire de vouloir tracer le gam-

ut drsquoanalyse de la cameacutera En

effet supposons que nous puis-

sions construire des filtres extrecircmement seacutelectifs correspondant chacun agrave une

seule longueur drsquoonde identique agrave chaque primaire du rec 2020 la cameacutera

serait alors totalement aveugle agrave tout se qui se situe en dehors de ces trois lon-

gueurs drsquoonde Tout comme pour lrsquoargentique il faut donc que la bande pas-

sante des trois filtres R G B soit relativement large et mecircme qursquoil y ait une leacutegegravere

zone de recouvrement pour ne pas laisser de trous dans lrsquoanalyse spectrale Un

gamut ne correspond en reacuteal-

iteacute qursquoagrave un espace de travail

ou agrave un systegraveme drsquoaffichage

consideacutereacute soit seul soit in-

teacutegreacute avec toute la chaicircne de

traitement amont On peut fort

bien reproduire les couleurs agrave

lrsquoaide de trois primaires mono-

chromatiques de type laser

nos cocircnes L M et S recevant

chacun une information et tra-

vaillant par antagonisme avec

les autres reacutecepteurs mais on

ne pourrait ni eacuteclairer ni con-

struire une cameacutera selon un tel

modegravele [figure 23]

Une feuille sur

les gamuts se

trouve ici Il est

neacutecessaire de la

teacuteleacutecharger puis

de lrsquoexeacutecuter sous Excel des

fonctions eacutetant eacutecrites en VBA

Le principal problegraveme de re-

production des couleurs sera

poseacute par les zones de recou-

vrement neacutecessaires mais

qursquoil faut limiter pour obtenir

une seacuteparation des primaires

efficace tout en eacutevitant le

meacutetameacuterisme [figures 24 et 25]

La courbe de sensibiliteacute spec-

trale constitue un indicateur

significatif Il reste eacutegalement la

possibiliteacute pour lrsquoopeacuterateur de

filmer une charte

XRite sous un eacuteclairage de reacutefeacuterence et drsquoeacutetablir ensuite un profil drsquoen-

treacutee (IDT dans le systegraveme ACES) ce que des logiciels comme Da Vinci Resolve permettent de faire tregraves bien Crsquoest un plus indeacuteniable dans la

chaicircne de gestion de couleurs

Figure 24 Exemples drsquoespaces colorimeacutetriques dits gamuts

3938 Figure 19 Courbes RGB Nikon D810 agrave 100 ISO avec un 50 mm

4

Figure 20 Courbes RGB Nikon D810 agrave 800 ISO avec un 50 mm

4140

3 Analyses et interpreacutetations

Pour lrsquoanalyse des courbes et pour les calculs de sensibiliteacutes cette meacutethode se

base sur la courbe verte conformeacutement agrave la sensibiliteacute spectrale de lrsquoœil Pour la

deacutetermination du niveau de bruit dans les basses lumiegraveres elle analyse les trois

courbes

Les deux courbes 100 ISO et 800 ISO sont parfaitement parallegraveles elles sont deacute-

caleacutees sur lrsquoaxe horizontal de trois EV

Dans les deux cas le Keylight crsquoest-agrave-dire le temps drsquoexposition neacutecessaire pour

obtenir un diaphragme de Oslash 2 + 23 agrave 16 s pour 100 ISO 150 s pour 800 ISO don-

ne la mecircme valeur de codage numeacuterique 1300 et dans les deux cas ce point est

situeacute agrave 3 EV 23 en dessous du point de saturation

La sensibiliteacute ISO afficheacutee nrsquoest pas une meacutetadonneacutee crsquoest en fonction de cette

sensibiliteacute que lrsquoappareil place le 18 et le point de saturation Il nrsquoest donc pas

possible de deacuteterminer la sensibiliteacute native du capteur En revanche il est possible

de choisir la position du 18 En travaillant avec la sensibiliteacute afficheacutee sur lrsquoappa-

reil le 18 sera agrave 3 EV 23 sous le point de saturation En travaillant avec un ISO

drsquoun EV plus eacuteleveacute que celui afficheacute sur lrsquoappareil le 18 sera agrave 4 EV 23 sous le

point de saturation ce qui fera gagner un EV de latitude dans les hautes lumiegraveres

mais en fera perdre un dans les basses lrsquoeacutetendue utile restant la mecircme Il est pos-

sible bien-sucircr drsquoaugmenter la latitude vers les basses lumiegraveres en choisissant une

sensibiliteacute moins forte mais dans ce cas lagrave crsquoest dans les hautes qursquoon aura moins

de marge de manœuvre

Sur le graphe 100 ISO les trois courbes restent coheacuterentes jusqursquoagrave ndash10 EV point agrave

partir duquel la courbe du bleu commence agrave deacutevier Agrave ndash10 EV 23 le bruit dans

le bleu devient ldquoinacceptableldquo On pourrait donc consideacuterer que lrsquoeacutetendue utile

de cet appareil reacutegleacute sur 100 ISO est 10 EV 23

Sur le graphe 800 ISO le niveau de bruit est difficilement repeacuterable il nous manque

des informations dans les basses lumiegraveres Cela eacutetant on constate une cassure agrave

ndash10 EV sur la courbe bleue on pourrait donc dire que lrsquoeacutetendue utile est de 10 EV

Cependant agrave 800 ISO comme agrave 100 ISO il est tout agrave fait possible de rajouter un EV

dans les basses lumiegraveres Tout deacutepend de lrsquoeacuteclairage geacuteneacuteral de la photo de la

couleur dominante dans les basses lumiegraveres du cadre et du goucirct du photographe

Toutes ces mesures ont eacuteteacute faites agrave partir des fichiers Raw

En argentique le sensitogramme est mesureacute apregraves deacuteveloppement de la

pellicule Pour cette raison Baptiste Magnien a aussi fait des mesures agrave par-

tir des fichiers TIFF ou JPEG apregraves deacutematriccedilage dans lrsquoappareil On ob-

tient dans ce cas-lagrave des courbes qui se rapprochent plus de la courbe

caracteacuteristique du film argentique en particulier au niveau du pied de courbe

4

Figure 21 Courbes vertes Nikon 810 agrave 100 et 800 ISO avec un 50 mm

4342

d Deacutetermination de la sensiBiliteacute selon les donneacutees constructeur

Parfois le constructeur preacuteconise un diaphragme pour un eacuteclairement donneacute en

lux et pour un temps de pose de 150egraveme de seconde

On peut appliquer la formule suivante

EV = log2 ( E b ) avec b = 33

ISO = arrondi ( 500 times Nsup2 ( 6 times 2(EV-6) )

E eacuteclairement en lux

N ouverture preacuteconiseacutee par le constructeur

b facteur deacutependant de lrsquoeacutetalonnage

du posemegravetre et de son diffuseur

On peut eacutegalement se rappeler du tableau suivant au 150egraveme

ISO Diaph Lux

100 28 1000

On peut donc par proportionnaliteacute si on connait le nombre de lux et lrsquoouverture

en deacuteduire la sensibiliteacute

e La caracteacuterisation du Bruit

La courbe de reacuteponse extraite du RAW ne prend pas en compte la possibiliteacute de

traitement du bruit Pour quantifier le bruit on peut effectuer le calcul de lrsquoeacutecart

type des valeurs de chaque plage au sein drsquoune image et entre plusieurs images

et on deacutefinit une diffeacuterence de lumination acceptable entre deux pixels pour

que lrsquoinformation soit lisible On deacutefinit ainsi la lumination agrave partir de laquelle la

cameacutera est capable de restituer laquo correctement raquo lrsquoinformation Notons que la

quantiteacute de bruit acceptable est une notion totalement subjective qui deacutepend

de choix estheacutetiques et de la nature mecircme du sujet

De plus si une norme ISO 12232 deacutefinit le bruit pour les capteurs photo elle nrsquoest

pas applicable aux cameacuteras car la succession des images dissimule le bruit sur

une image animeacutee en photo argentique 24x36 un agrandissement A3 A2 ou A1

constitue une bonne performance mais une image film argentique 35 mm deux

fois plus petite se projette elle aiseacutement sur un eacutecran de 6 m de base De mecircme

en videacuteo la succession des images et le bruit inter image tendent agrave dissimuler le

bruit intra image

4544

0

4

f La mesure de reacuteponse spectrale

La mesure de reacuteponse spectrale srsquoeffectue via une source OL490 Agile Light

Source Cette source spectrale programmable est constitueacutee drsquoune lampe Xeacute-

non et drsquoun reacuteseau de diffraction en face duquel se trouve une matrice agrave mi-

cro-miroirs de type DLP Le reacuteseau va deacutecomposer la lumiegravere en un spectre que

le systegraveme optique et la matrice DLP vont recomposer selon une table program-

mable avec une reacutesolution de 5 nm [figure 21]

La matrice DLP peut ecirctre piloteacutee via une interface USB controcircleacutee par un logiciel

pour reproduire le plus fidegravelement possible la table drsquoun illuminant standard D65

ou celle drsquoun illuminant A ou toute autre table en particulier correspondant au

corps noir agrave une tempeacuterature donneacutee Pour reproduire les extreacutemiteacutes du spectre

UV et IR ce dispositif peut ecirctre compleacuteteacute drsquoune source au deuteacuterium (UV) et

drsquoune simple lampe agrave incandescence (IR)

La lecture directe des valeurs numeacuteriques R G B dans le fichier RAW via un script

Matlab va permettre de tracer trois courbes R G et B On cale les courbes des

valeurs du rouge et du bleu sur la courbe des valeurs du vert qui constituera le

100 ces courbes eacutetant donc relatives agrave cette derniegravere ceci conformeacutement agrave

la sensibiliteacute spectrale de lrsquoœil humain moyen La courbe verte apparaitra donc

comme une droite horizontale les courbes vertes et bleues repreacutesentant des

pourcentages de cette derniegravere Si les trois courbes se croisent on peut estimer

qursquoon se trouve agrave la tempeacuterature de couleur ideacuteale du capteur celle geacuteneacuterant

a priori le moins de bruit Une seule cameacutera la Varicam LT reacutepond agrave ce critegravere

[figure 22]

Figure 22 Principe de la creacuteation drsquoune table drsquoilluminant agrave lrsquoaide drsquoun reacuteseau et drsquoune matrice DLP

Figure 23 Exemples de reacuteponses de cameacuteras selon la Tempeacuterature de Couleur

Reacuteponse des canaux RVB de la VARICAM LT en fonction de la tempeacuterature de couleur

Reacuteponse des canaux RVB de lrsquoAlexa Studio en fonction de la tempeacuterature de couleur

4746

4

Il est important de noter pour

eacuteviter une confusion souvent

releveacutee que les diffeacuterents gam-

uts proposeacutes par les fabricants

Sony S-Gamut Varicam V-Gam-

ut RED RWG ou mecircme lrsquoespace

ACES ne correspondent en rien

agrave lrsquoespace reacuteel drsquoanalyse drsquoun

capteur mais sont des espaces

de travail et de calcul capa-

bles drsquoenglober lrsquoespace de la

cameacutera qui reste agrave deacutefinir et

si possible tous les espaces de

destination rec 2020 DCI P3 ou

rec 709 En effet les longueurs

drsquoonde invisibles pour lrsquoœil hu-

main ne peuvent se situer que

dans le prolongement du fer agrave

cheval repreacutesentant le spec-

trum locus correspondant agrave

lrsquoemplacement des lumiegraveres

monochromatiques ou encore

spectrales et cela agrave droite

dans le domaine de lrsquoinfra-

rouge et agrave gauche dans celui

de lrsquoultraviolet Les primaires re-

tenues au-delagrave de cette ligne

et situeacutees donc agrave lrsquoexteacuterieur du

fer agrave cheval sont des primaires

virtuelles qui ne correspondent

agrave aucune radiation eacutelectro-

magneacutetique existante

Notons qursquoil serait tout agrave fait il-

lusoire de vouloir tracer le gam-

ut drsquoanalyse de la cameacutera En

effet supposons que nous puis-

sions construire des filtres extrecircmement seacutelectifs correspondant chacun agrave une

seule longueur drsquoonde identique agrave chaque primaire du rec 2020 la cameacutera

serait alors totalement aveugle agrave tout se qui se situe en dehors de ces trois lon-

gueurs drsquoonde Tout comme pour lrsquoargentique il faut donc que la bande pas-

sante des trois filtres R G B soit relativement large et mecircme qursquoil y ait une leacutegegravere

zone de recouvrement pour ne pas laisser de trous dans lrsquoanalyse spectrale Un

gamut ne correspond en reacuteal-

iteacute qursquoagrave un espace de travail

ou agrave un systegraveme drsquoaffichage

consideacutereacute soit seul soit in-

teacutegreacute avec toute la chaicircne de

traitement amont On peut fort

bien reproduire les couleurs agrave

lrsquoaide de trois primaires mono-

chromatiques de type laser

nos cocircnes L M et S recevant

chacun une information et tra-

vaillant par antagonisme avec

les autres reacutecepteurs mais on

ne pourrait ni eacuteclairer ni con-

struire une cameacutera selon un tel

modegravele [figure 23]

Une feuille sur

les gamuts se

trouve ici Il est

neacutecessaire de la

teacuteleacutecharger puis

de lrsquoexeacutecuter sous Excel des

fonctions eacutetant eacutecrites en VBA

Le principal problegraveme de re-

production des couleurs sera

poseacute par les zones de recou-

vrement neacutecessaires mais

qursquoil faut limiter pour obtenir

une seacuteparation des primaires

efficace tout en eacutevitant le

meacutetameacuterisme [figures 24 et 25]

La courbe de sensibiliteacute spec-

trale constitue un indicateur

significatif Il reste eacutegalement la

possibiliteacute pour lrsquoopeacuterateur de

filmer une charte

XRite sous un eacuteclairage de reacutefeacuterence et drsquoeacutetablir ensuite un profil drsquoen-

treacutee (IDT dans le systegraveme ACES) ce que des logiciels comme Da Vinci Resolve permettent de faire tregraves bien Crsquoest un plus indeacuteniable dans la

chaicircne de gestion de couleurs

Figure 24 Exemples drsquoespaces colorimeacutetriques dits gamuts

4140

3 Analyses et interpreacutetations

Pour lrsquoanalyse des courbes et pour les calculs de sensibiliteacutes cette meacutethode se

base sur la courbe verte conformeacutement agrave la sensibiliteacute spectrale de lrsquoœil Pour la

deacutetermination du niveau de bruit dans les basses lumiegraveres elle analyse les trois

courbes

Les deux courbes 100 ISO et 800 ISO sont parfaitement parallegraveles elles sont deacute-

caleacutees sur lrsquoaxe horizontal de trois EV

Dans les deux cas le Keylight crsquoest-agrave-dire le temps drsquoexposition neacutecessaire pour

obtenir un diaphragme de Oslash 2 + 23 agrave 16 s pour 100 ISO 150 s pour 800 ISO don-

ne la mecircme valeur de codage numeacuterique 1300 et dans les deux cas ce point est

situeacute agrave 3 EV 23 en dessous du point de saturation

La sensibiliteacute ISO afficheacutee nrsquoest pas une meacutetadonneacutee crsquoest en fonction de cette

sensibiliteacute que lrsquoappareil place le 18 et le point de saturation Il nrsquoest donc pas

possible de deacuteterminer la sensibiliteacute native du capteur En revanche il est possible

de choisir la position du 18 En travaillant avec la sensibiliteacute afficheacutee sur lrsquoappa-

reil le 18 sera agrave 3 EV 23 sous le point de saturation En travaillant avec un ISO

drsquoun EV plus eacuteleveacute que celui afficheacute sur lrsquoappareil le 18 sera agrave 4 EV 23 sous le

point de saturation ce qui fera gagner un EV de latitude dans les hautes lumiegraveres

mais en fera perdre un dans les basses lrsquoeacutetendue utile restant la mecircme Il est pos-

sible bien-sucircr drsquoaugmenter la latitude vers les basses lumiegraveres en choisissant une

sensibiliteacute moins forte mais dans ce cas lagrave crsquoest dans les hautes qursquoon aura moins

de marge de manœuvre

Sur le graphe 100 ISO les trois courbes restent coheacuterentes jusqursquoagrave ndash10 EV point agrave

partir duquel la courbe du bleu commence agrave deacutevier Agrave ndash10 EV 23 le bruit dans

le bleu devient ldquoinacceptableldquo On pourrait donc consideacuterer que lrsquoeacutetendue utile

de cet appareil reacutegleacute sur 100 ISO est 10 EV 23

Sur le graphe 800 ISO le niveau de bruit est difficilement repeacuterable il nous manque

des informations dans les basses lumiegraveres Cela eacutetant on constate une cassure agrave

ndash10 EV sur la courbe bleue on pourrait donc dire que lrsquoeacutetendue utile est de 10 EV

Cependant agrave 800 ISO comme agrave 100 ISO il est tout agrave fait possible de rajouter un EV

dans les basses lumiegraveres Tout deacutepend de lrsquoeacuteclairage geacuteneacuteral de la photo de la

couleur dominante dans les basses lumiegraveres du cadre et du goucirct du photographe

Toutes ces mesures ont eacuteteacute faites agrave partir des fichiers Raw

En argentique le sensitogramme est mesureacute apregraves deacuteveloppement de la

pellicule Pour cette raison Baptiste Magnien a aussi fait des mesures agrave par-

tir des fichiers TIFF ou JPEG apregraves deacutematriccedilage dans lrsquoappareil On ob-

tient dans ce cas-lagrave des courbes qui se rapprochent plus de la courbe

caracteacuteristique du film argentique en particulier au niveau du pied de courbe

4

Figure 21 Courbes vertes Nikon 810 agrave 100 et 800 ISO avec un 50 mm

4342

d Deacutetermination de la sensiBiliteacute selon les donneacutees constructeur

Parfois le constructeur preacuteconise un diaphragme pour un eacuteclairement donneacute en

lux et pour un temps de pose de 150egraveme de seconde

On peut appliquer la formule suivante

EV = log2 ( E b ) avec b = 33

ISO = arrondi ( 500 times Nsup2 ( 6 times 2(EV-6) )

E eacuteclairement en lux

N ouverture preacuteconiseacutee par le constructeur

b facteur deacutependant de lrsquoeacutetalonnage

du posemegravetre et de son diffuseur

On peut eacutegalement se rappeler du tableau suivant au 150egraveme

ISO Diaph Lux

100 28 1000

On peut donc par proportionnaliteacute si on connait le nombre de lux et lrsquoouverture

en deacuteduire la sensibiliteacute

e La caracteacuterisation du Bruit

La courbe de reacuteponse extraite du RAW ne prend pas en compte la possibiliteacute de

traitement du bruit Pour quantifier le bruit on peut effectuer le calcul de lrsquoeacutecart

type des valeurs de chaque plage au sein drsquoune image et entre plusieurs images

et on deacutefinit une diffeacuterence de lumination acceptable entre deux pixels pour

que lrsquoinformation soit lisible On deacutefinit ainsi la lumination agrave partir de laquelle la

cameacutera est capable de restituer laquo correctement raquo lrsquoinformation Notons que la

quantiteacute de bruit acceptable est une notion totalement subjective qui deacutepend

de choix estheacutetiques et de la nature mecircme du sujet

De plus si une norme ISO 12232 deacutefinit le bruit pour les capteurs photo elle nrsquoest

pas applicable aux cameacuteras car la succession des images dissimule le bruit sur

une image animeacutee en photo argentique 24x36 un agrandissement A3 A2 ou A1

constitue une bonne performance mais une image film argentique 35 mm deux

fois plus petite se projette elle aiseacutement sur un eacutecran de 6 m de base De mecircme

en videacuteo la succession des images et le bruit inter image tendent agrave dissimuler le

bruit intra image

4544

0

4

f La mesure de reacuteponse spectrale

La mesure de reacuteponse spectrale srsquoeffectue via une source OL490 Agile Light

Source Cette source spectrale programmable est constitueacutee drsquoune lampe Xeacute-

non et drsquoun reacuteseau de diffraction en face duquel se trouve une matrice agrave mi-

cro-miroirs de type DLP Le reacuteseau va deacutecomposer la lumiegravere en un spectre que

le systegraveme optique et la matrice DLP vont recomposer selon une table program-

mable avec une reacutesolution de 5 nm [figure 21]

La matrice DLP peut ecirctre piloteacutee via une interface USB controcircleacutee par un logiciel

pour reproduire le plus fidegravelement possible la table drsquoun illuminant standard D65

ou celle drsquoun illuminant A ou toute autre table en particulier correspondant au

corps noir agrave une tempeacuterature donneacutee Pour reproduire les extreacutemiteacutes du spectre

UV et IR ce dispositif peut ecirctre compleacuteteacute drsquoune source au deuteacuterium (UV) et

drsquoune simple lampe agrave incandescence (IR)

La lecture directe des valeurs numeacuteriques R G B dans le fichier RAW via un script

Matlab va permettre de tracer trois courbes R G et B On cale les courbes des

valeurs du rouge et du bleu sur la courbe des valeurs du vert qui constituera le

100 ces courbes eacutetant donc relatives agrave cette derniegravere ceci conformeacutement agrave

la sensibiliteacute spectrale de lrsquoœil humain moyen La courbe verte apparaitra donc

comme une droite horizontale les courbes vertes et bleues repreacutesentant des

pourcentages de cette derniegravere Si les trois courbes se croisent on peut estimer

qursquoon se trouve agrave la tempeacuterature de couleur ideacuteale du capteur celle geacuteneacuterant

a priori le moins de bruit Une seule cameacutera la Varicam LT reacutepond agrave ce critegravere

[figure 22]

Figure 22 Principe de la creacuteation drsquoune table drsquoilluminant agrave lrsquoaide drsquoun reacuteseau et drsquoune matrice DLP

Figure 23 Exemples de reacuteponses de cameacuteras selon la Tempeacuterature de Couleur

Reacuteponse des canaux RVB de la VARICAM LT en fonction de la tempeacuterature de couleur

Reacuteponse des canaux RVB de lrsquoAlexa Studio en fonction de la tempeacuterature de couleur

4746

4

Il est important de noter pour

eacuteviter une confusion souvent

releveacutee que les diffeacuterents gam-

uts proposeacutes par les fabricants

Sony S-Gamut Varicam V-Gam-

ut RED RWG ou mecircme lrsquoespace

ACES ne correspondent en rien

agrave lrsquoespace reacuteel drsquoanalyse drsquoun

capteur mais sont des espaces

de travail et de calcul capa-

bles drsquoenglober lrsquoespace de la

cameacutera qui reste agrave deacutefinir et

si possible tous les espaces de

destination rec 2020 DCI P3 ou

rec 709 En effet les longueurs

drsquoonde invisibles pour lrsquoœil hu-

main ne peuvent se situer que

dans le prolongement du fer agrave

cheval repreacutesentant le spec-

trum locus correspondant agrave

lrsquoemplacement des lumiegraveres

monochromatiques ou encore

spectrales et cela agrave droite

dans le domaine de lrsquoinfra-

rouge et agrave gauche dans celui

de lrsquoultraviolet Les primaires re-

tenues au-delagrave de cette ligne

et situeacutees donc agrave lrsquoexteacuterieur du

fer agrave cheval sont des primaires

virtuelles qui ne correspondent

agrave aucune radiation eacutelectro-

magneacutetique existante

Notons qursquoil serait tout agrave fait il-

lusoire de vouloir tracer le gam-

ut drsquoanalyse de la cameacutera En

effet supposons que nous puis-

sions construire des filtres extrecircmement seacutelectifs correspondant chacun agrave une

seule longueur drsquoonde identique agrave chaque primaire du rec 2020 la cameacutera

serait alors totalement aveugle agrave tout se qui se situe en dehors de ces trois lon-

gueurs drsquoonde Tout comme pour lrsquoargentique il faut donc que la bande pas-

sante des trois filtres R G B soit relativement large et mecircme qursquoil y ait une leacutegegravere

zone de recouvrement pour ne pas laisser de trous dans lrsquoanalyse spectrale Un

gamut ne correspond en reacuteal-

iteacute qursquoagrave un espace de travail

ou agrave un systegraveme drsquoaffichage

consideacutereacute soit seul soit in-

teacutegreacute avec toute la chaicircne de

traitement amont On peut fort

bien reproduire les couleurs agrave

lrsquoaide de trois primaires mono-

chromatiques de type laser

nos cocircnes L M et S recevant

chacun une information et tra-

vaillant par antagonisme avec

les autres reacutecepteurs mais on

ne pourrait ni eacuteclairer ni con-

struire une cameacutera selon un tel

modegravele [figure 23]

Une feuille sur

les gamuts se

trouve ici Il est

neacutecessaire de la

teacuteleacutecharger puis

de lrsquoexeacutecuter sous Excel des

fonctions eacutetant eacutecrites en VBA

Le principal problegraveme de re-

production des couleurs sera

poseacute par les zones de recou-

vrement neacutecessaires mais

qursquoil faut limiter pour obtenir

une seacuteparation des primaires

efficace tout en eacutevitant le

meacutetameacuterisme [figures 24 et 25]

La courbe de sensibiliteacute spec-

trale constitue un indicateur

significatif Il reste eacutegalement la

possibiliteacute pour lrsquoopeacuterateur de

filmer une charte

XRite sous un eacuteclairage de reacutefeacuterence et drsquoeacutetablir ensuite un profil drsquoen-

treacutee (IDT dans le systegraveme ACES) ce que des logiciels comme Da Vinci Resolve permettent de faire tregraves bien Crsquoest un plus indeacuteniable dans la

chaicircne de gestion de couleurs

Figure 24 Exemples drsquoespaces colorimeacutetriques dits gamuts

4342

d Deacutetermination de la sensiBiliteacute selon les donneacutees constructeur

Parfois le constructeur preacuteconise un diaphragme pour un eacuteclairement donneacute en

lux et pour un temps de pose de 150egraveme de seconde

On peut appliquer la formule suivante

EV = log2 ( E b ) avec b = 33

ISO = arrondi ( 500 times Nsup2 ( 6 times 2(EV-6) )

E eacuteclairement en lux

N ouverture preacuteconiseacutee par le constructeur

b facteur deacutependant de lrsquoeacutetalonnage

du posemegravetre et de son diffuseur

On peut eacutegalement se rappeler du tableau suivant au 150egraveme

ISO Diaph Lux

100 28 1000

On peut donc par proportionnaliteacute si on connait le nombre de lux et lrsquoouverture

en deacuteduire la sensibiliteacute

e La caracteacuterisation du Bruit

La courbe de reacuteponse extraite du RAW ne prend pas en compte la possibiliteacute de

traitement du bruit Pour quantifier le bruit on peut effectuer le calcul de lrsquoeacutecart

type des valeurs de chaque plage au sein drsquoune image et entre plusieurs images

et on deacutefinit une diffeacuterence de lumination acceptable entre deux pixels pour

que lrsquoinformation soit lisible On deacutefinit ainsi la lumination agrave partir de laquelle la

cameacutera est capable de restituer laquo correctement raquo lrsquoinformation Notons que la

quantiteacute de bruit acceptable est une notion totalement subjective qui deacutepend

de choix estheacutetiques et de la nature mecircme du sujet

De plus si une norme ISO 12232 deacutefinit le bruit pour les capteurs photo elle nrsquoest

pas applicable aux cameacuteras car la succession des images dissimule le bruit sur

une image animeacutee en photo argentique 24x36 un agrandissement A3 A2 ou A1

constitue une bonne performance mais une image film argentique 35 mm deux

fois plus petite se projette elle aiseacutement sur un eacutecran de 6 m de base De mecircme

en videacuteo la succession des images et le bruit inter image tendent agrave dissimuler le

bruit intra image

4544

0

4

f La mesure de reacuteponse spectrale

La mesure de reacuteponse spectrale srsquoeffectue via une source OL490 Agile Light

Source Cette source spectrale programmable est constitueacutee drsquoune lampe Xeacute-

non et drsquoun reacuteseau de diffraction en face duquel se trouve une matrice agrave mi-

cro-miroirs de type DLP Le reacuteseau va deacutecomposer la lumiegravere en un spectre que

le systegraveme optique et la matrice DLP vont recomposer selon une table program-

mable avec une reacutesolution de 5 nm [figure 21]

La matrice DLP peut ecirctre piloteacutee via une interface USB controcircleacutee par un logiciel

pour reproduire le plus fidegravelement possible la table drsquoun illuminant standard D65

ou celle drsquoun illuminant A ou toute autre table en particulier correspondant au

corps noir agrave une tempeacuterature donneacutee Pour reproduire les extreacutemiteacutes du spectre

UV et IR ce dispositif peut ecirctre compleacuteteacute drsquoune source au deuteacuterium (UV) et

drsquoune simple lampe agrave incandescence (IR)

La lecture directe des valeurs numeacuteriques R G B dans le fichier RAW via un script

Matlab va permettre de tracer trois courbes R G et B On cale les courbes des

valeurs du rouge et du bleu sur la courbe des valeurs du vert qui constituera le

100 ces courbes eacutetant donc relatives agrave cette derniegravere ceci conformeacutement agrave

la sensibiliteacute spectrale de lrsquoœil humain moyen La courbe verte apparaitra donc

comme une droite horizontale les courbes vertes et bleues repreacutesentant des

pourcentages de cette derniegravere Si les trois courbes se croisent on peut estimer

qursquoon se trouve agrave la tempeacuterature de couleur ideacuteale du capteur celle geacuteneacuterant

a priori le moins de bruit Une seule cameacutera la Varicam LT reacutepond agrave ce critegravere

[figure 22]

Figure 22 Principe de la creacuteation drsquoune table drsquoilluminant agrave lrsquoaide drsquoun reacuteseau et drsquoune matrice DLP

Figure 23 Exemples de reacuteponses de cameacuteras selon la Tempeacuterature de Couleur

Reacuteponse des canaux RVB de la VARICAM LT en fonction de la tempeacuterature de couleur

Reacuteponse des canaux RVB de lrsquoAlexa Studio en fonction de la tempeacuterature de couleur

4746

4

Il est important de noter pour

eacuteviter une confusion souvent

releveacutee que les diffeacuterents gam-

uts proposeacutes par les fabricants

Sony S-Gamut Varicam V-Gam-

ut RED RWG ou mecircme lrsquoespace

ACES ne correspondent en rien

agrave lrsquoespace reacuteel drsquoanalyse drsquoun

capteur mais sont des espaces

de travail et de calcul capa-

bles drsquoenglober lrsquoespace de la

cameacutera qui reste agrave deacutefinir et

si possible tous les espaces de

destination rec 2020 DCI P3 ou

rec 709 En effet les longueurs

drsquoonde invisibles pour lrsquoœil hu-

main ne peuvent se situer que

dans le prolongement du fer agrave

cheval repreacutesentant le spec-

trum locus correspondant agrave

lrsquoemplacement des lumiegraveres

monochromatiques ou encore

spectrales et cela agrave droite

dans le domaine de lrsquoinfra-

rouge et agrave gauche dans celui

de lrsquoultraviolet Les primaires re-

tenues au-delagrave de cette ligne

et situeacutees donc agrave lrsquoexteacuterieur du

fer agrave cheval sont des primaires

virtuelles qui ne correspondent

agrave aucune radiation eacutelectro-

magneacutetique existante

Notons qursquoil serait tout agrave fait il-

lusoire de vouloir tracer le gam-

ut drsquoanalyse de la cameacutera En

effet supposons que nous puis-

sions construire des filtres extrecircmement seacutelectifs correspondant chacun agrave une

seule longueur drsquoonde identique agrave chaque primaire du rec 2020 la cameacutera

serait alors totalement aveugle agrave tout se qui se situe en dehors de ces trois lon-

gueurs drsquoonde Tout comme pour lrsquoargentique il faut donc que la bande pas-

sante des trois filtres R G B soit relativement large et mecircme qursquoil y ait une leacutegegravere

zone de recouvrement pour ne pas laisser de trous dans lrsquoanalyse spectrale Un

gamut ne correspond en reacuteal-

iteacute qursquoagrave un espace de travail

ou agrave un systegraveme drsquoaffichage

consideacutereacute soit seul soit in-

teacutegreacute avec toute la chaicircne de

traitement amont On peut fort

bien reproduire les couleurs agrave

lrsquoaide de trois primaires mono-

chromatiques de type laser

nos cocircnes L M et S recevant

chacun une information et tra-

vaillant par antagonisme avec

les autres reacutecepteurs mais on

ne pourrait ni eacuteclairer ni con-

struire une cameacutera selon un tel

modegravele [figure 23]

Une feuille sur

les gamuts se

trouve ici Il est

neacutecessaire de la

teacuteleacutecharger puis

de lrsquoexeacutecuter sous Excel des

fonctions eacutetant eacutecrites en VBA

Le principal problegraveme de re-

production des couleurs sera

poseacute par les zones de recou-

vrement neacutecessaires mais

qursquoil faut limiter pour obtenir

une seacuteparation des primaires

efficace tout en eacutevitant le

meacutetameacuterisme [figures 24 et 25]

La courbe de sensibiliteacute spec-

trale constitue un indicateur

significatif Il reste eacutegalement la

possibiliteacute pour lrsquoopeacuterateur de

filmer une charte

XRite sous un eacuteclairage de reacutefeacuterence et drsquoeacutetablir ensuite un profil drsquoen-

treacutee (IDT dans le systegraveme ACES) ce que des logiciels comme Da Vinci Resolve permettent de faire tregraves bien Crsquoest un plus indeacuteniable dans la

chaicircne de gestion de couleurs

Figure 24 Exemples drsquoespaces colorimeacutetriques dits gamuts

4544

0

4

f La mesure de reacuteponse spectrale

La mesure de reacuteponse spectrale srsquoeffectue via une source OL490 Agile Light

Source Cette source spectrale programmable est constitueacutee drsquoune lampe Xeacute-

non et drsquoun reacuteseau de diffraction en face duquel se trouve une matrice agrave mi-

cro-miroirs de type DLP Le reacuteseau va deacutecomposer la lumiegravere en un spectre que

le systegraveme optique et la matrice DLP vont recomposer selon une table program-

mable avec une reacutesolution de 5 nm [figure 21]

La matrice DLP peut ecirctre piloteacutee via une interface USB controcircleacutee par un logiciel

pour reproduire le plus fidegravelement possible la table drsquoun illuminant standard D65

ou celle drsquoun illuminant A ou toute autre table en particulier correspondant au

corps noir agrave une tempeacuterature donneacutee Pour reproduire les extreacutemiteacutes du spectre

UV et IR ce dispositif peut ecirctre compleacuteteacute drsquoune source au deuteacuterium (UV) et

drsquoune simple lampe agrave incandescence (IR)

La lecture directe des valeurs numeacuteriques R G B dans le fichier RAW via un script

Matlab va permettre de tracer trois courbes R G et B On cale les courbes des

valeurs du rouge et du bleu sur la courbe des valeurs du vert qui constituera le

100 ces courbes eacutetant donc relatives agrave cette derniegravere ceci conformeacutement agrave

la sensibiliteacute spectrale de lrsquoœil humain moyen La courbe verte apparaitra donc

comme une droite horizontale les courbes vertes et bleues repreacutesentant des

pourcentages de cette derniegravere Si les trois courbes se croisent on peut estimer

qursquoon se trouve agrave la tempeacuterature de couleur ideacuteale du capteur celle geacuteneacuterant

a priori le moins de bruit Une seule cameacutera la Varicam LT reacutepond agrave ce critegravere

[figure 22]

Figure 22 Principe de la creacuteation drsquoune table drsquoilluminant agrave lrsquoaide drsquoun reacuteseau et drsquoune matrice DLP

Figure 23 Exemples de reacuteponses de cameacuteras selon la Tempeacuterature de Couleur

Reacuteponse des canaux RVB de la VARICAM LT en fonction de la tempeacuterature de couleur

Reacuteponse des canaux RVB de lrsquoAlexa Studio en fonction de la tempeacuterature de couleur

4746

4

Il est important de noter pour

eacuteviter une confusion souvent

releveacutee que les diffeacuterents gam-

uts proposeacutes par les fabricants

Sony S-Gamut Varicam V-Gam-

ut RED RWG ou mecircme lrsquoespace

ACES ne correspondent en rien

agrave lrsquoespace reacuteel drsquoanalyse drsquoun

capteur mais sont des espaces

de travail et de calcul capa-

bles drsquoenglober lrsquoespace de la

cameacutera qui reste agrave deacutefinir et

si possible tous les espaces de

destination rec 2020 DCI P3 ou

rec 709 En effet les longueurs

drsquoonde invisibles pour lrsquoœil hu-

main ne peuvent se situer que

dans le prolongement du fer agrave

cheval repreacutesentant le spec-

trum locus correspondant agrave

lrsquoemplacement des lumiegraveres

monochromatiques ou encore

spectrales et cela agrave droite

dans le domaine de lrsquoinfra-

rouge et agrave gauche dans celui

de lrsquoultraviolet Les primaires re-

tenues au-delagrave de cette ligne

et situeacutees donc agrave lrsquoexteacuterieur du

fer agrave cheval sont des primaires

virtuelles qui ne correspondent

agrave aucune radiation eacutelectro-

magneacutetique existante

Notons qursquoil serait tout agrave fait il-

lusoire de vouloir tracer le gam-

ut drsquoanalyse de la cameacutera En

effet supposons que nous puis-

sions construire des filtres extrecircmement seacutelectifs correspondant chacun agrave une

seule longueur drsquoonde identique agrave chaque primaire du rec 2020 la cameacutera

serait alors totalement aveugle agrave tout se qui se situe en dehors de ces trois lon-

gueurs drsquoonde Tout comme pour lrsquoargentique il faut donc que la bande pas-

sante des trois filtres R G B soit relativement large et mecircme qursquoil y ait une leacutegegravere

zone de recouvrement pour ne pas laisser de trous dans lrsquoanalyse spectrale Un

gamut ne correspond en reacuteal-

iteacute qursquoagrave un espace de travail

ou agrave un systegraveme drsquoaffichage

consideacutereacute soit seul soit in-

teacutegreacute avec toute la chaicircne de

traitement amont On peut fort

bien reproduire les couleurs agrave

lrsquoaide de trois primaires mono-

chromatiques de type laser

nos cocircnes L M et S recevant

chacun une information et tra-

vaillant par antagonisme avec

les autres reacutecepteurs mais on

ne pourrait ni eacuteclairer ni con-

struire une cameacutera selon un tel

modegravele [figure 23]

Une feuille sur

les gamuts se

trouve ici Il est

neacutecessaire de la

teacuteleacutecharger puis

de lrsquoexeacutecuter sous Excel des

fonctions eacutetant eacutecrites en VBA

Le principal problegraveme de re-

production des couleurs sera

poseacute par les zones de recou-

vrement neacutecessaires mais

qursquoil faut limiter pour obtenir

une seacuteparation des primaires

efficace tout en eacutevitant le

meacutetameacuterisme [figures 24 et 25]

La courbe de sensibiliteacute spec-

trale constitue un indicateur

significatif Il reste eacutegalement la

possibiliteacute pour lrsquoopeacuterateur de

filmer une charte

XRite sous un eacuteclairage de reacutefeacuterence et drsquoeacutetablir ensuite un profil drsquoen-

treacutee (IDT dans le systegraveme ACES) ce que des logiciels comme Da Vinci Resolve permettent de faire tregraves bien Crsquoest un plus indeacuteniable dans la

chaicircne de gestion de couleurs

Figure 24 Exemples drsquoespaces colorimeacutetriques dits gamuts

4746

4

Il est important de noter pour

eacuteviter une confusion souvent

releveacutee que les diffeacuterents gam-

uts proposeacutes par les fabricants

Sony S-Gamut Varicam V-Gam-

ut RED RWG ou mecircme lrsquoespace

ACES ne correspondent en rien

agrave lrsquoespace reacuteel drsquoanalyse drsquoun

capteur mais sont des espaces

de travail et de calcul capa-

bles drsquoenglober lrsquoespace de la

cameacutera qui reste agrave deacutefinir et

si possible tous les espaces de

destination rec 2020 DCI P3 ou

rec 709 En effet les longueurs

drsquoonde invisibles pour lrsquoœil hu-

main ne peuvent se situer que

dans le prolongement du fer agrave

cheval repreacutesentant le spec-

trum locus correspondant agrave

lrsquoemplacement des lumiegraveres

monochromatiques ou encore

spectrales et cela agrave droite

dans le domaine de lrsquoinfra-

rouge et agrave gauche dans celui

de lrsquoultraviolet Les primaires re-

tenues au-delagrave de cette ligne

et situeacutees donc agrave lrsquoexteacuterieur du

fer agrave cheval sont des primaires

virtuelles qui ne correspondent

agrave aucune radiation eacutelectro-

magneacutetique existante

Notons qursquoil serait tout agrave fait il-

lusoire de vouloir tracer le gam-

ut drsquoanalyse de la cameacutera En

effet supposons que nous puis-

sions construire des filtres extrecircmement seacutelectifs correspondant chacun agrave une

seule longueur drsquoonde identique agrave chaque primaire du rec 2020 la cameacutera

serait alors totalement aveugle agrave tout se qui se situe en dehors de ces trois lon-

gueurs drsquoonde Tout comme pour lrsquoargentique il faut donc que la bande pas-

sante des trois filtres R G B soit relativement large et mecircme qursquoil y ait une leacutegegravere

zone de recouvrement pour ne pas laisser de trous dans lrsquoanalyse spectrale Un

gamut ne correspond en reacuteal-

iteacute qursquoagrave un espace de travail

ou agrave un systegraveme drsquoaffichage

consideacutereacute soit seul soit in-

teacutegreacute avec toute la chaicircne de

traitement amont On peut fort

bien reproduire les couleurs agrave

lrsquoaide de trois primaires mono-

chromatiques de type laser

nos cocircnes L M et S recevant

chacun une information et tra-

vaillant par antagonisme avec

les autres reacutecepteurs mais on

ne pourrait ni eacuteclairer ni con-

struire une cameacutera selon un tel

modegravele [figure 23]

Une feuille sur

les gamuts se

trouve ici Il est

neacutecessaire de la

teacuteleacutecharger puis

de lrsquoexeacutecuter sous Excel des

fonctions eacutetant eacutecrites en VBA

Le principal problegraveme de re-

production des couleurs sera

poseacute par les zones de recou-

vrement neacutecessaires mais

qursquoil faut limiter pour obtenir

une seacuteparation des primaires

efficace tout en eacutevitant le

meacutetameacuterisme [figures 24 et 25]

La courbe de sensibiliteacute spec-

trale constitue un indicateur

significatif Il reste eacutegalement la

possibiliteacute pour lrsquoopeacuterateur de

filmer une charte

XRite sous un eacuteclairage de reacutefeacuterence et drsquoeacutetablir ensuite un profil drsquoen-

treacutee (IDT dans le systegraveme ACES) ce que des logiciels comme Da Vinci Resolve permettent de faire tregraves bien Crsquoest un plus indeacuteniable dans la

chaicircne de gestion de couleurs

Figure 24 Exemples drsquoespaces colorimeacutetriques dits gamuts

4948

4

Figure 26 Reacuteponse spectrale drsquoune cameacutera mono CCD grand public Figure 25 Reacuteponse spectrale drsquoune cameacutera tri CCD agrave seacuteparateur agrave prismes

5150

a Indices ev ilLrsquoeacutechelle des indices EV (exposure value) ou encore IL (indice de lumination)

pour 100 ISO constitue une eacutechelle logarithmique en base 2 dans tous les cas un

eacutecart de 1 EV correspond agrave 1 diaph Cette eacutechelle permet de calculer les ouver-

tures et les temps de pose sur les posemegravetres (cellules photomeacutetriques)

1 Calcul de lrsquoindice EV pour 100 ISO2Ev = N2t = L

m x Sk

Ou encore

Ev = log2 (N2t) soit Ev = 2 log

2 (N) ndash log

2 (t)

N valeur photomeacutetrique de lrsquoiris sans uniteacute

t temps drsquoexposition en seconde

Lm luminance du gris agrave 18 en cdm2

S sensibiliteacute sur lrsquoeacutechelle ISO

k constante drsquoeacutetalonnage (elle peut varier de 105 agrave 14 lrsquoISO recommande 125)

2 Rapport de contraste EV et lineacuteaire

Eacutecart EV Rapport contraste

1 21

15 31

2 41

3 81

4 161

5 32 1

6 64 1

7 128 1

8 256 1

9 512 1

10 1 024 1

11 2 048 1

12 4 096 1

13 8 192 1

14 16 384 1

15 32 768 1

16 65 366 1

6 ANNEXES

Ces meacutethodes drsquoeacutevaluation des caracteacuteristiques drsquoun capteur se ressemblent

par bien des points

Dans tous les cas agrave la suite drsquoune prise de vue on trace une courbe dont

lrsquoabscisse est le log de la lumination et lrsquoordonneacutee la valeur numeacuterique du signal

Il y a cependant quelques variations importantes

Prise de vue avec ou sans objectif

Mesure de la sensibiliteacute agrave partir du point de saturation ou agrave partir du niveau de

bruit

Analyse du fichier raw (meacutethode drsquoAlain Sarlat) ou du fichier numeacuterique deacute-

bayeriseacute

Le choix de la meacutethode deacutepend principalement de la strateacutegie drsquoexposition

Lorsque les conditions drsquoeacuteclairage sont controcircleacutees comme lors drsquoune prise de

vues en studio les indices drsquoexposition sont seacutelectionneacutes pour donner la meilleure

image possible avec les hautes lumiegraveres de lrsquoimage tombant juste en dessous du

point de saturation Ce type de situation drsquoexposition est deacutecrit par lrsquoindice ISO

baseacute sur la saturation

Lorsque les conditions drsquoeacuteclairage sont infeacuterieures aux conditions ideacuteales un

indice ISO baseacute sur le bruit est plus utile Dans ce calcul le rapport signal sur bruit

(SNR) est utiliseacute pour calculer lrsquoindice ISO

Si on tourne en raw la meacutethode drsquoAlain Sarlat pourrait ecirctre la plus approprieacutee

En fonction de la meacutethode choisie les courbes peuvent donner des sensibiliteacutes

diffeacuterentes

Dans ces conditions il paraicirct difficile de deacuteterminer preacutecisement un indice ISO agrave

afficher sur la cellule

Cependant outre la sensibiliteacute ces courbes et ces tableaux nous donnent drsquoau-

tres informations importantes sur le capteur

Le point de saturation dans les hautes lumiegraveres

Le niveau de bruit acceptable dans les basses lumiegraveres

Lrsquoeacutetendue utile entre ces deux niveaux de lumination

Crsquoest lrsquointerpreacutetation par le directeur photo de toutes ces donneacutees qui lui per-

mettront drsquoajuster au mieux lrsquoexposition en fonction des conditions de tournage

5 CONCLUSION

5352

B calcul de la sensiBiliteacute iso drsquoun film neacutegatif couleur

On reacutealise avant tout un sensitogramme qui est analyseacute ensuite au densitomegravetre

On obtient les courbes caracteacuteristiques du film neacutegatif log des luminationsden-

siteacutes Pour chacune des trois courbes on deacutetermine les points correspondants agrave

une densiteacute de 015 + Support + Voile On obtient les logs des luminations corres-

pondantes La lumination Hiso

est calculeacutee agrave partir de la lumination de la couche

verte (HG) et celle de la couche la moins sensible (Hmin) la plupart du temps la

couche rouge selon la formule

ou encore

On obtient alors la sensibiliteacute ISO arithmeacutetique

Voir article Wikipedia sur les indices drsquoexposition argentiques ici

c Norme iso 12231 vocaBulaire

1 GainRapport du taux de changement de sortie (numeacuterique) et du taux de change-

ment du niveau drsquoentreacutee (lumination)

2 Fonction increacutementale du gainFonction qui associe agrave un niveau drsquoentreacutee (lumination) un gain

3 Increacutementation du signal de sortieSrsquoobtient en multipliant le niveau drsquoentreacutee par le gain

6

Hiso = 2 HG Hmin

log (Hiso) = (log(HG) + log (Hmin)) 2

3 Table des indices EV pour 100 ISO (Sekonic Cine Master)

LuxINCIDENTE

EV agrave 100 ISO gt LuxEV LUX- 2 063

-15 088-1 125

- 05 1770 250

05 3541 5

15 72 10

25 143 20

35 284 40

45 575 80

55 1136 160

65 2267 320

75 4538 640

85 9059 1 280

95 1 81010 2 560

105 3 62011 5 120

115 7 24112 10 240

125 14 48213 20 480

135 28 96314 40 960

145 57 92615 81 920

155 115 85216 163 840

165 231 70517 327 680

Cdm2

SPOTMETREEV agrave 100 ISO gt Cdm2

EV Cdm2

- 2 003-15 004-1 006

- 05 0090 013

05 0181 025

15 0352 05

25 0713 1

35 1414 2

45 2835 4

55 5666 8

65 117 16

75 238 32

85 459 64

95 9110 128

105 18111 256

115 36212 512

125 72413 1 024

135 1 44814 2 048

145 2 89615 4 096

155 5 79316 8 192

165 11 58517 16 384

Positionner la cellule sur 100 ISO

S = 2 2H

5150

a Indices ev ilLrsquoeacutechelle des indices EV (exposure value) ou encore IL (indice de lumination)

pour 100 ISO constitue une eacutechelle logarithmique en base 2 dans tous les cas un

eacutecart de 1 EV correspond agrave 1 diaph Cette eacutechelle permet de calculer les ouver-

tures et les temps de pose sur les posemegravetres (cellules photomeacutetriques)

1 Calcul de lrsquoindice EV pour 100 ISO2Ev = N2t = L

m x Sk

Ou encore

Ev = log2 (N2t) soit Ev = 2 log

2 (N) ndash log

2 (t)

N valeur photomeacutetrique de lrsquoiris sans uniteacute

t temps drsquoexposition en seconde

Lm luminance du gris agrave 18 en cdm2

S sensibiliteacute sur lrsquoeacutechelle ISO

k constante drsquoeacutetalonnage (elle peut varier de 105 agrave 14 lrsquoISO recommande 125)

2 Rapport de contraste EV et lineacuteaire

Eacutecart EV Rapport contraste

1 21

15 31

2 41

3 81

4 161

5 32 1

6 64 1

7 128 1

8 256 1

9 512 1

10 1 024 1

11 2 048 1

12 4 096 1

13 8 192 1

14 16 384 1

15 32 768 1

16 65 366 1

6 ANNEXES

Ces meacutethodes drsquoeacutevaluation des caracteacuteristiques drsquoun capteur se ressemblent

par bien des points

Dans tous les cas agrave la suite drsquoune prise de vue on trace une courbe dont

lrsquoabscisse est le log de la lumination et lrsquoordonneacutee la valeur numeacuterique du signal

Il y a cependant quelques variations importantes

Prise de vue avec ou sans objectif

Mesure de la sensibiliteacute agrave partir du point de saturation ou agrave partir du niveau de

bruit

Analyse du fichier raw (meacutethode drsquoAlain Sarlat) ou du fichier numeacuterique deacute-

bayeriseacute

Le choix de la meacutethode deacutepend principalement de la strateacutegie drsquoexposition

Lorsque les conditions drsquoeacuteclairage sont controcircleacutees comme lors drsquoune prise de

vues en studio les indices drsquoexposition sont seacutelectionneacutes pour donner la meilleure

image possible avec les hautes lumiegraveres de lrsquoimage tombant juste en dessous du

point de saturation Ce type de situation drsquoexposition est deacutecrit par lrsquoindice ISO

baseacute sur la saturation

Lorsque les conditions drsquoeacuteclairage sont infeacuterieures aux conditions ideacuteales un

indice ISO baseacute sur le bruit est plus utile Dans ce calcul le rapport signal sur bruit

(SNR) est utiliseacute pour calculer lrsquoindice ISO

Si on tourne en raw la meacutethode drsquoAlain Sarlat pourrait ecirctre la plus approprieacutee

En fonction de la meacutethode choisie les courbes peuvent donner des sensibiliteacutes

diffeacuterentes

Dans ces conditions il paraicirct difficile de deacuteterminer preacutecisement un indice ISO agrave

afficher sur la cellule

Cependant outre la sensibiliteacute ces courbes et ces tableaux nous donnent drsquoau-

tres informations importantes sur le capteur

Le point de saturation dans les hautes lumiegraveres

Le niveau de bruit acceptable dans les basses lumiegraveres

Lrsquoeacutetendue utile entre ces deux niveaux de lumination

Crsquoest lrsquointerpreacutetation par le directeur photo de toutes ces donneacutees qui lui per-

mettront drsquoajuster au mieux lrsquoexposition en fonction des conditions de tournage

5 CONCLUSION

5352

B calcul de la sensiBiliteacute iso drsquoun film neacutegatif couleur

On reacutealise avant tout un sensitogramme qui est analyseacute ensuite au densitomegravetre

On obtient les courbes caracteacuteristiques du film neacutegatif log des luminationsden-

siteacutes Pour chacune des trois courbes on deacutetermine les points correspondants agrave

une densiteacute de 015 + Support + Voile On obtient les logs des luminations corres-

pondantes La lumination Hiso

est calculeacutee agrave partir de la lumination de la couche

verte (HG) et celle de la couche la moins sensible (Hmin) la plupart du temps la

couche rouge selon la formule

ou encore

On obtient alors la sensibiliteacute ISO arithmeacutetique

Voir article Wikipedia sur les indices drsquoexposition argentiques ici

c Norme iso 12231 vocaBulaire

1 GainRapport du taux de changement de sortie (numeacuterique) et du taux de change-

ment du niveau drsquoentreacutee (lumination)

2 Fonction increacutementale du gainFonction qui associe agrave un niveau drsquoentreacutee (lumination) un gain

3 Increacutementation du signal de sortieSrsquoobtient en multipliant le niveau drsquoentreacutee par le gain

6

Hiso = 2 HG Hmin

log (Hiso) = (log(HG) + log (Hmin)) 2

3 Table des indices EV pour 100 ISO (Sekonic Cine Master)

LuxINCIDENTE

EV agrave 100 ISO gt LuxEV LUX- 2 063

-15 088-1 125

- 05 1770 250

05 3541 5

15 72 10

25 143 20

35 284 40

45 575 80

55 1136 160

65 2267 320

75 4538 640

85 9059 1 280

95 1 81010 2 560

105 3 62011 5 120

115 7 24112 10 240

125 14 48213 20 480

135 28 96314 40 960

145 57 92615 81 920

155 115 85216 163 840

165 231 70517 327 680

Cdm2

SPOTMETREEV agrave 100 ISO gt Cdm2

EV Cdm2

- 2 003-15 004-1 006

- 05 0090 013

05 0181 025

15 0352 05

25 0713 1

35 1414 2

45 2835 4

55 5666 8

65 117 16

75 238 32

85 459 64

95 9110 128

105 18111 256

115 36212 512

125 72413 1 024

135 1 44814 2 048

145 2 89615 4 096

155 5 79316 8 192

165 11 58517 16 384

Positionner la cellule sur 100 ISO

S = 2 2H

5352

B calcul de la sensiBiliteacute iso drsquoun film neacutegatif couleur

On reacutealise avant tout un sensitogramme qui est analyseacute ensuite au densitomegravetre

On obtient les courbes caracteacuteristiques du film neacutegatif log des luminationsden-

siteacutes Pour chacune des trois courbes on deacutetermine les points correspondants agrave

une densiteacute de 015 + Support + Voile On obtient les logs des luminations corres-

pondantes La lumination Hiso

est calculeacutee agrave partir de la lumination de la couche

verte (HG) et celle de la couche la moins sensible (Hmin) la plupart du temps la

couche rouge selon la formule

ou encore

On obtient alors la sensibiliteacute ISO arithmeacutetique

Voir article Wikipedia sur les indices drsquoexposition argentiques ici

c Norme iso 12231 vocaBulaire

1 GainRapport du taux de changement de sortie (numeacuterique) et du taux de change-

ment du niveau drsquoentreacutee (lumination)

2 Fonction increacutementale du gainFonction qui associe agrave un niveau drsquoentreacutee (lumination) un gain

3 Increacutementation du signal de sortieSrsquoobtient en multipliant le niveau drsquoentreacutee par le gain

6

Hiso = 2 HG Hmin

log (Hiso) = (log(HG) + log (Hmin)) 2

3 Table des indices EV pour 100 ISO (Sekonic Cine Master)

LuxINCIDENTE

EV agrave 100 ISO gt LuxEV LUX- 2 063

-15 088-1 125

- 05 1770 250

05 3541 5

15 72 10

25 143 20

35 284 40

45 575 80

55 1136 160

65 2267 320

75 4538 640

85 9059 1 280

95 1 81010 2 560

105 3 62011 5 120

115 7 24112 10 240

125 14 48213 20 480

135 28 96314 40 960

145 57 92615 81 920

155 115 85216 163 840

165 231 70517 327 680

Cdm2

SPOTMETREEV agrave 100 ISO gt Cdm2

EV Cdm2

- 2 003-15 004-1 006

- 05 0090 013

05 0181 025

15 0352 05

25 0713 1

35 1414 2

45 2835 4

55 5666 8

65 117 16

75 238 32

85 459 64

95 9110 128

105 18111 256

115 36212 512

125 72413 1 024

135 1 44814 2 048

145 2 89615 4 096

155 5 79316 8 192

165 11 58517 16 384

Positionner la cellule sur 100 ISO

S = 2 2H

5554

Par ordre de parution du plus reacutecent au plus ancien

VOLKER GILBERT

laquo Les secrets de la lumiegravere et de lrsquoexposition raquo Eyrolles 2017

JACQUES GAUDIN

laquo Colorimeacutetrie appliqueacutee agrave la videacuteo raquo 2e eacutedition Dunod eacuteditions 2012

JEAN-CHARLES FOUCHEacute

laquo Comprendre la videacuteo numeacuterique raquo 2e eacutedition CIFAP 2010

HAROLD PHELIPPEAU

Meacutethodes et algorithmes de deacutematriccedilage et de filtrage

du bruit pour la photographie numeacuterique HAL 2009 lien

JEAN-LOUIS FOURNIER

laquo La sensitomeacutetrie ndash Les sciences de lrsquoimage appliqueacutees

agrave la prise de vues cineacutematographique raquo Dujarric 2006

CHARLES POYNTON

laquo Digital Video and HDTV raquo Morgan Kaufmann Publishers 2003

ROBERT SEgraveVE

laquo Physique de la couleur ndash De lrsquoapparence coloreacutee

agrave la technique colorimeacutetrique raquo Masson 2001

7 BIBLIOGRAPHIE 4 Bruit de sortie

Fluctuation drsquoun eacutecart-type autour de la moyenne de sortie numeacuterique pour un

niveau drsquoentreacutee constant donneacute

5 Limite drsquoexposition maximaleLumination situeacutee juste en-dessous de celle qui produit un niveau de sortie

numeacuterique correspondant au maximum drsquoexposition deacutetectable appeleacute aussi

saturation

6 Limite drsquoexposition minimaleLumination la plus faible qui produit une increacutementation du signal de sortie eacutegale

en magnitude agrave celle du bruit

d Pixel

A lrsquoorigine le pixel a eacuteteacute deacutefini comme le plus petit eacuteleacutement drsquoune image

numeacuterique matricielle dite aussi bitmap ou raster Le mot pixel est apparu en 1969

forgeacute depuis lrsquoanglais agrave partir de pix (variante de pics pluriel de pic abreacutevia-

tion de picture laquo image raquo) et de el(ement) (laquo eacuteleacutement raquo) litteacuteralement laquo eacuteleacutement

drsquoimage raquo agrave une eacutepoque ougrave les capteurs de cameacuteras eacutetaient encore des tubes

et ougrave les eacutecrans nrsquoeacutetaient pas plats mais de type CRT

Une image numeacuterique matricielle est composeacutee de points ou pixels codeacutes en

noir et blanc ou couleur (RGB ou CMJK ou mecircme YUV) avec ou non une couche

de transparence (alpha) sur 8 16 32 bits (HDR) par canal Agrave lrsquoopposeacutee une

image virtuelle vectorielle ne comporte pas de pixels mais est composeacutee

drsquoeacutequations dessinant des courbes des droites ou toute autre forme et elle est

ainsi agrandissable agrave lrsquoinfini sans effet mosaiumlque

A lrsquoheure actuelle une certaine confusion regravegne par rapport agrave ce terme pixel

utiliseacute agrave tout va depuis pregraves de 50 ans on lrsquoemploie indistinctement pour deacutesigner les

photosites ou photoreacutecepteurs drsquoun capteur les pixels drsquoune image numeacuterique

deacuteveloppeacutee ou les eacuteleacutements lumineux drsquoun eacutecran avec leurs sous-pixels RGB

Ce qursquoil faut savoir crsquoest que les deux extreacutemiteacutes de la chaicircne peuvent ecirctre

sujettes agrave des extrapolations et entretenir ainsi un certain nombre de quiproquos

ainsi on peut filmer en HDCAM 3 1 1 donc avec seulement 1 440 points par

ligne extrapoler cette image en HD 1920x1080 et projeter le tout sur un eacutecran dit

HD ready qui ne comporte en reacutealiteacute que 720 lignes Il est donc important de

distinguer ces extrapolations intervenant aux extreacutemiteacutes de la chaicircne des pixels

vrais codeacutes de lrsquoimage numeacuterique

56

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