De la dynamique des capteurs

Les appareils photo numériques récents intègrent des capteurs dont la dynamique d’image est de plus en plus élevée. Et certains ne jurent que par celle-ci pour déterminer si un appareil photo est bon ou mauvais. À lire les échanges de ces « amateurs éclairés », parfois on peut avoir l’impression de se retrouver dans une cour d’école, avec un débat qui se résume à celui qui aura « la plus grosse » dynamique. Peut-être parce la mesure de la dynamique reste mystérieuse et que c’est « frappant » dans l’imaginaire de certains. En oubliant trop souvent qu’un appareil photo est là pour prendre des photos !

 

Notions diverses pour comprendre

Les expressions « bouchée » ou « cramée », vous les avez très certainement déjà entendues à propos de vos photos (ou d’autres) qui manquent de détails ou qui paraissent brûlées. Comment cela peut-il être possible ? La chose qu’il convient de garder à l’esprit, c’est que si votre photo n’est pas similaire à ce que vous avez vu, cela ne vient pas forcément d’un mauvais réglage. Votre appareil photo a des limites et il convient de les connaître. Sans compter les limites du photographe lui-même !

 

Plage dynamique, c’est quoi ?

En simplifiant, on peut dire que la plage dynamique est l’échelle des valeurs séparant les parties les plus claires des parties les plus foncées de ce qui est perçu. Si on annonce 10 IL de dynamique, cela signifie que du point le plus sombre au point le plus clair, il y aura 10 niveaux de luminosité où vous aurez du détail.

[schéma non exact scientifiquement parlant]
Plus la dynamique du capteur (ou de la pellicule) est grande, plus il y aura de nuances et donc d’informations disponibles dans l’image.

 

Comment mesurer la dynamique ?

On peut s’adresser à un labo spécialisé dans ce type de mesure. Sinon il existe bien une méthode plus ou moins artisanale, que nous n’avons jamais pratiqué (peut-être par manque de compréhension).

Elle consiste à effectuer 3 prises de vue d’une mire CMP Refcard White, dans certaines conditions. Le logiciel Raw Digger qui permet l’analyse des données RVB brutes contenues dans les fichiers RAW, va être utilisé pour récupérer des données dans le but d’effectuer des calculs et autres analyses.

 

dB, EV, IL, Pas, Stop…

Un Stop (ou Pas, EV, IL, Diaph puisqu’il s’agit de la même notion sous 5 termes différents) en photographie, c’est l’écart entre deux valeurs d’exposition.   Augmenter ou diminuer revient à multiplier ou à diviser par deux la quantité de lumière arrivant sur le capteur.

Les constructeurs expriment souvent la dynamique des capteurs en dB. Une notion souvent inconnue dans le monde photographique où l’on parlera plus facilement de diaph, IL, Stop (ou EV ou Pas). Alors, si on vous donne une valeur en dB, il faut la convertir en EV (ou IL). L’opération consiste à divise la valeur dB par 6. Une dynamique de 120 dB revient à dire qu’elle est de 20 EV (ou 20 IL, ou 20 diaph !).

 

La plage dynamique d’un œil humain

N’étant pas médecin et encore moins ophtalmologiste, mes connaissances sont réduites en la matière. De ce que j’ai pu comprendre, l’œil humain ne dispose pas d’une large dynamique en lui-même (de l’ordre de 10 IL). Mais cet organe il dispose d’une grande faculté d’adaptation grâce :

  • À la variation du diamètre de la pupille,
  • À la variation de la sensibilité de la rétine,
  • Au cerveau, capable de mélanger en temps réel des images plus sombres et d’autres plus claires afin de recréer ainsi un ensemble homogène.

En pratique, l’œil s’acclimate à une vitesse très rapide et nous disposons d’une plage dynamique étendue (High Dynamic Range) ! En cela l’œil humain est plus performant qu’un capteur numérique. Il est capable de percevoir des détails dans les tons clairs et dans les tons foncés là ou le capteur de l’appareil ne verra plus que du blanc ou du noir sans nuances. C’est ainsi qu’un capteur percevra comme étant un contre-jour ce que l’œil humain détectera comme étant simplement une scène très claire avec peu de contraste.

 

La course à la grande amplitude

Dans un environnement naturel, il existe d’importantes amplitudes lumineuses entre les différents éléments d’une scène. Quand on prend un cliché, il convient souvent de choisir pour quelle partie de l’image, claire ou sombre, on souhaite ajuster l’exposition. Même en utilisant la mesure automatique de l’exposition, le capteur de votre appareil (ou la pellicule) ne permettra pas d’enregistrer correctement les deux à la fois.

 

La compensation HDR

L’idée est d’étendre la plage dynamique d’une image en faisant du « bracketing d’exposition », c’est à dire en effectuant différents clichés d’une même scène avec des expositions différentes. En postproduction, il conviendra d’utiliser un logiciel qui sera capable de fusionner ces clichés.

Image HDR, Assemblage de 3 images sous Adobe Lightroom
Assemblage de 3 images sous Adobe Lightroom

 

Clichés ayant servi à la constitution de l'image HDR
Clichés ayant servi à la constitution de l’image HDR

 

Ainsi, on pourra percevoir dans ces clichés fusionnés des détails dans les zones claires et les zones sombres qui ne seraient pas présents autrement. Mais ce process est long et fastidieux, sans compter que les mouvements sont interdits, sous peine d’obtenir des artefacts pénibles à voir dans l’image.

Pour la petite histoire, le bracketing d’exposition est une invention fort ancienne, qui date de 1850. C’est Gustave Le Gray (auteur de la première photographie officielle d’un chef de l’état français, Louis-Napoléon Bonaparte), qui fut le premier photographe à concevoir une image composée avec plusieurs valeurs d’expositions différentes (pour un paysage marin). Il voulait, ce faisant, contourner les limites des pellicules de l’époque. Déjà !

 

Attention, il convient de ne pas confondre HDR, Bracketing d’exposition et Tone Mapping

HDR : Le High Dynamic Range, soit en français grande gamme dynamique, regroupe un ensemble de techniques numériques permettant d’obtenir une grande plage dynamique dans une image.

Bracketing d’exposition : Technique permettant de prendre plusieurs images de la même scène, avec des réglages automatiques différents selon le mode (P, Av, Tv, Sv, M) et un écart d’EV préalablement paramétré (0,3 IL, 1IL, 3 IL, etc.). Généralement, il y a au moins 3 images, une « normale », une sous-exposée et une surexposée. Il faudra ensuite recombiner ces images en une seule, en extrayant le meilleur de chaque zone.

Tone Mapping : il s’agit d’une technique utilisée dans le traitement de l’image permettant de mettre en correspondance une palette de couleurs avec une autre, dans le but de convertir une image de grande gamme dynamique vers une image de dynamique plus restreinte.

 

Il est tout à fait possible de faire du bracketing d’exposition afin d’obtenir une image à large dynamique sans effectuer du Tone Mapping. Surtout que certains rendus peuvent être franchement mauvais.

Exemples de HDR avec Tone MappingLes résultats peuvent être plus ou moins réussis

On l’a vu, les techniques HDR sont de bonnes alternatives, mais ont des inconvénients. Aussi, les ingénieurs en charge de développer les capteurs se sont lancés dans l’élargissement de cette plage dynamique.

 

Amélioration des capteurs

Les constructeurs ont réussi à améliorer les choses dans ce domaine, faisant progresser les capteurs APS-C d’environ 2IL. Si on en croit DxO Mark, cette dynamique est souvent supérieur à 13 (le K-10D sorti en 2006 avait une dynamique de 11,6 IL tandis que le K-3 II propose lui une dynamique de 13,6). On notera que, chez Pentax, les capteurs FF propose une dynamique légèrement supérieure (14,6 pour le K-1 par exemple). Coté concurrence, Nikon semble faire partie des meilleurs dans ce domaine, tandis que Canon est un poil en retrait.

Attention, les seules informations constructeurs concerne la plage dynamique de sensibilité des capteurs autofocus (par exemple de -3 à 20 IL) qu’il ne faut pas confondre avec celle des capteurs « image » (merci Zygonyx).

Pentax K-1 mark IIDe -3 à 18IL, soit 22 EV (ISO 100)
Pentax KPDe -3 à 18IL, soit 22 EV (ISO 100)
Pentax K-70De -3 à 18IL, soit 22 EV (ISO 100)
Nikon D-850De -4 à 20 IL, soit 25 EV (ISO 100)
Nikon Z6De -4 à 17IL, soit 22 EV (ISO 100)
Nikon Z7De -3 à 17IL, soit 21 EV (ISO 100)
Canon 5 D Mark IVDe -3 à 18IL, soit 22 EV (ISO 100)
Canon EOS RDe -6 à 18IL, soit 25 EV (ISO 100)
Sony a9De -3 à 20IL, soit 24 EV (ISO 100)

 

Si les capteurs ont fait des progrès, cela n’a pas été le seul domaine. On a déjà vu un même capteur, utilisé dans des boîtiers de marque différente, proposer des résultats de plages dynamiques différents. Cela tient aux puces électroniques en charge de la conversion de la dynamique perçue par le capteur, en données numériques enregistrées dans le fichier RAW de l’appareil. Ces puces, qui travaillent avec une précision de 8, 10, 12, 14 ou 16 bits, sont plus ou moins efficaces. Or plus la précision est importante et mieux le logiciel est écrit, meilleure sera la qualité de la dynamique restituée.

 

Les obstacles à la large dynamique

Malgré les améliorations, il en existe toujours :

  • La taille des capteurs. En règle générale, plus les capteurs sont petits et plus leur dynamique est réduite. Mais là encore les progrès techniques ont été fulgurants et les prouesses sont réelles.
  • De l’influence de la sensibilité. La plage dynamique dépend de la sensibilité utilisée. Plus on monte en ISO, plus la dynamique baisse. La montée en ISO s’obtient par une amplification de la lumière. Des basses lumières, mais aussi des hautes lumières. Ces dernières vont dépasser la valeur maximale permise par le capteur et donc être perdues. Mais si on perd des hautes lumières, malheureusement, on ne gagne pas en basses lumières, entraînant une dynamique globale plus faible.
  • De plus, la montée en ISO provoque du bruit, lequel va limiter aussi la dynamique. De manière globale, il faut retenir qu’à chaque fois qu’on multiplie par 2 les ISO, on perd 1IL de plage dynamique.

 

De l’exploitation de la large plage dynamique

À la prise de vue

Je vais ici enfoncer des portes ouvertes. Mais si vous souhaitez pouvoir profiter des capacités de votre boîtier, et préserver autant que possible la dynamique, voici trois conseils :

  • Utilisez les prises de vue en RAW. Le JPEG est à proscrire autant que possible. Parce que dernier est codé sur 8bits tandis que le RAW est codé, lui, sur 12, 14 ou 16 bits. Ce qui veut dire qu’il y a beaucoup plus d’informations disponibles. Et si vous ne me croyez pas, regarder le poids d’un fichier JPEG et celui d’un fichier RAW. La différence a bien une explication…
  • Utilisez le plus possible les sensibilités 100-200 ISO. Plus la sensibilité sera basse, plus il y aura d’informations présentes.
  • Privilégier de bonnes optiques. S’il y a un conseil que je donne volontiers, c’est celui-là ! Il faut investir dans des optiques de qualité. Le gain sera nettement plus important que d’investir dans l’appareil ayant la meilleure plage dynamique au moment X (celui de l’achat).
Adapter vos paramètres de prise de vue en fonction du contexte

 

En PT RAW

Exploiter la dynamique en Post-Traitement n’est pas très compliqué. Si on respecte les règles de la prise de vue, les logiciels de PT RAW permettent de régler facilement l’exposition, mais également les hautes lumières et les ombres. On pourra ainsi jouer sur les curseurs pour équilibrer une photographie.

Outils de Adobe Lightroom Classic CC
Outils de Adobe Lightroom Classic CC

 

N’oubliez pas d’utiliser le pinceau de retouche localisée, car les curseurs influent sur toute l’image, même sur les parties que l’on souhaite préserver ! La retouche localisée permet, elle, de ne traiter que les zones sous ou surexposées.

 

Un point de vue, le mien

« Photographier » veut dire peindre avec la lumière.

À titre personnel, la dynamique d’un capteur n’a jamais été ma priorité lors de mon choix d’appareil. Peut-être parce que j’ai appris la photo avec les pellicules argentiques et que cette notion était plus anecdotique. En effet, la plupart des pellicules offraient alors une plage dynamique allant de 6 à 12 IL ! Et on apprenait à exploiter cette plage. De plus, éclaircir exagérément les ombres n’est pas une bonne idée. Tous les détails d’une photo ne doivent pas forcément être visibles. Il me paraît important que certaines parties d’une photo puissent rester dans l’ombre, suggérées à l’imaginaire des lecteurs.

 

Il vaut mieux soigner sa prise de vue dès le début. Ainsi, en exposant correctement, il n’y aura pas besoin de trop éclaircir les ombres…

Aujourd’hui, n’importe quel capteur APS-C, MF, Full Frame voire même 4/3 possède suffisamment de dynamique pour me permettre de faire les clichés que je souhaite faire. Il y a longtemps que je ne m’interroge plus sur des clichés que je pourrais rater avec un capteur soi-disant « moins performant » que celui dont je dispose actuellement. Cette obsession de la plage dynamique me semble être une aberration. Une photo doit être contrastée, correctement contrastée.

Mais il est plus facile de se reposer sur les prouesses techniques et l’IA des boîtiers que de penser « photo ». Un autre débat…

 

crédits photo & illustrations : © fyve – PT Raw dans le cadre de l’article

  • Pierre Philippe
    22 janvier 2019 à 17 h 29 min

    Bonjour.

    Et pourtant malgré la hausse et la plus grande dynamique des capteurs actuels, surtout par apport aux diapositives. Depuis le numérique, j’ai plus de problèmes pour ne pas surexposer les ciels sans sous-exposer les tons moyens ou sombres . Est-ce votre constat ou n’est ce qu’une impression.

    • F.
      22 janvier 2019 à 19 h 51 min

      Bonjour,
      Je n’ai que très peu pratiqué la diapo, ce sera donc difficile pour moi de comparer.
      Quand à votre impression, je ne la ressens pas. Mais possible qu’on s’est habitué au coté numérique des photos en oubliant ce qu’apportait les caractéristiques des pellicules argentiques.
      Après, grâce à la très forte dynamique justement, rien ne vous empêche, en PT, de corriger l’éventuelle sous expo des tons moyens et sombres. Si elle sert à quelque chose, c’est bien à cela. Surtout en RAW.

      • Pierre Philippe
        23 janvier 2019 à 0 h 25 min

        Bonjour.

        Bien sûr, je m’en sors grâce au format raw, et j’expose plus en tenant compte des lumières des ciels ou je compose en les limitant ou en les éliminant.

        Bonne journée.

  • Phil
    31 janvier 2019 à 18 h 30 min

    Bonjour,

    De nos jour avec les performances en post-traitement, je trouve qu’on peut sans soucis sous-exposer à la prise de vue pour garder des détails dans les parties claires (ne pas les brûler, et puis aussi ne pas ainsi monter en ISO avec bruit etc), et les logiciels excellent pour retrouver ensuite du détail dans les parties sombres (sous-exposées).

    Je suis aussi content de voir que dans DxO Photolab est enfin apparu un outil « filtre gradué » pour assombrir un ciel trop lumineux sans avoir besoin d’un filtre gradué « matériel » (pas mal de concurrents l’avaient déjà).
    Enfin, ça reste une correction que l’on applique selon une ligne, donc il faut ensuite utiliser l’outil gomme pour supprimer l’effet appliqué aux parties à ne pas traiter… mais c’est souvent plus simple que du HDR surtout sur les scènes en mouvement où on se retrouve souvent avec du « Ghosting ».

    A noter aussi que la nouvelle génération de logiciels HDR permettent aussi de masquer dans les superpositions des parties précises de la scène pour éviter les trop fort contrastes dans la scène, mieux gérer le Ghosting…

    Bon en gros pour dire que contrairement au temps de l’argentique, on peut quand même facilement outrepasser le manque de dynamique des capteurs de nos jours.
    Après si Pentax nous sort un APN avec la dynamique d’un œil (jusqu’à 24IL apparemment, comparés à grosso modo 14IL max sur les bons APN à ISO min), ben on cassera notre tire-lire parce qu’on aura enfin des photos fidèles à l’œil humain sans aucun effort. Il me tarde 🙂

    • F.
      31 janvier 2019 à 21 h 38 min

      Il ne me tarde pas. Nos boitiers actuels sont déjà très performants. L’inflation de la dynamique est une course à l’échalote bien inintéressante. Mieux vaut investir dans des optiques et dans la pratique de la photographie. J’ai parfois l’impression que certains se retranchent derrière cet argument technologique (sachant que les pellicules argentiques étaient bien moins performantes), pour justifier de la qualité décevante de leur production photo. Ce n’est évidemment qu’un avis personnel. Néanmoins, pour avoir entendu des discussions et lu à l’époque des forums, j’en suis assez persuadé.