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Notions de sensitométrie
 
La dynamique, point faible du capteur numérique !
 
 

Si la plupart des photographes argentiques s’entendent sur l’expression latitude d’exposition pour désigner l’étendue maximum des luminations différenciées qu’un film peut enregistrer, en ce qui concerne les capteurs numériques, les Anglo-Saxons préfèrent parler de dynamic range (DR), tandis que les Français optent généralement pour l’expression étendue dynamique (certains utilisant tout simplement le terme dynamique).

Aussi, il nous a paru intéressant et utile de rapprocher ces deux expressions synonymes respectivement propres à deux technologies différentes… ce qui constitue en même temps un excellent prétexte pour effleurer la sensitométrie numérique qui repose sur les mêmes bases que celles de son aînée, la sensitométrie argentique ! Mais avant de nous attarder particulièrement sur ces deux notions – qui n'en sont finalement qu'une – disons un mot sur la forme de la courbe caractéristique des films panchromatiques d’usage courant, car celle-ci n’est pas sans influer sur la latitude d’exposition.


La forme de la courbe caractéristique des films argentiques

Afin d’éviter le phénomène habituel de compression des tons lié au pied et à l’épaule de la classique courbe caractéristique, on pourrait considérer le tracé rectiligne de bout en bout comme étant la forme idéale. Mais il faut se rendre à l’évidence, la réaction photochimique en question ne témoigne pas d’une linéarité parfaite… comme l’ont démontré initialement – à la fin du 19me siècle – Ferdinand Hurter (1844-1898) et son collègue de recherche, Vero Charles Driffield (1848-1915). Grâce aux travaux (1) de ces deux fondateurs de la sensitométrie, on peut parler d’une mathématisation de la photographie. Ces pionniers, en étudiant les réponses de surfaces photographiques exposées à différentes « quantités de lumière », ont pu notamment pour la première fois tracer la courbe sensitométrique des surfaces sensibles explorées (figure 1) et ainsi représenter mathématiquement cette relation (densités en fonction du logarithme des luminations). Une courbe de noircissement photographique appelée aussi courbe H&D en l’honneur des deux savants qui ont fait passer la photographie du domaine de l’empirisme à celui de la science !

 
 
Figure 1 : Ces courbes caractéristiques – véritablement historiques – sont les premières à avoir été publiées (2)… le 31 mai 1890 par les deux savants précités. Représentatives de la réponse de surfaces photographiques testées au début de l’ère argentique, on remarquera que leur allure générale n'a pas fondamentalement changé depuis ce temps héroïque de la sensitométrie, même avec l’éclosion des films argentiques « modernes » environ 80 ans plus tard.
 
Ainsi, la figure 2 ci-dessous représente la courbe caractéristique d'une émulsion photographique « moderne ». Nous observons que la densité n'augmente proportionnellement à la valeur log H que dans la partie rectiligne de la courbe (B-C). Autrement dit, dans cette zone centrale correspondant aux luminations moyennes, le rapport entre densité et log H est constant. Inversement, dans les deux zones extrêmes de la courbe, le rapport entre densité et log H n'est plus constant. Ces zones appelées communément pied (A-B) et épaule (C-D) admettent respectivement les faibles et les fortes luminations. La courbe caractéristique considérée ici a une partie centrale parfaitement rectiligne et deux parties extrêmes curvilignes réduites au maximum. Cette forme de courbe caractérise les émulsions dites orthophotiques qui sont essentiellement utilisées pour la duplication.
 
 
Figure 2 : Repérage des différentes parties d'une courbe caractéristique.
 
Par contre, les courbes caractéristiques des émulsions photographiques d'usage courant (un exemple est présenté à la figure 3) révèlent une partie rectiligne très réduite et souvent inexistante. Ces émulsions anorthophotiques – on les appelle ainsi – présentent une courbe au pied très étendu, convenant bien à la prise de vue en studio. En effet, dans cette portion curviligne inférieure de la courbe, la séparation de tons se distingue progressivement avec l'augmentation de la pente, les détails dans les ombres apparaissent. En fait, la recherche d'expositions minima (pratique habituelle) entraîne l'exploitation d'une très grande partie de la zone du pied de la courbe caractéristique.
 
 
Figure 3 : Exemple de courbe caractéristique d’une émulsion photographique d'usage courant.
 

Bref, depuis la publication par Hurter et Driffield des premières courbes sensitométriques, la technologie dans l'industrie des surfaces sensibles et du matériel photographique s’est perfectionnée, les méthodes de mesure se sont affinées, mais les règles fondamentales demeurent… et la forme de la courbe caractéristique des émulsions photographiques d'usage courant est restée grosso modo la même ! A ce propos, les photographes de l’ère argentique ont dû toujours s’accommoder à l’adoucissement progressif de la différenciation des valeurs du négatif dans les deux portions curvilignes de la courbe… jusqu'à une disparition totale des détails lorsque la pente devient nulle !

Mais, finalement, reconnaissons avec Emmanuel Bigler (professeur d'optique et des microtechniques à l'Ecole d'ingénieurs de mécanique et des microtechniques de Besançon) que « l'œil demande une échelle non linéaire des niveaux de l'image afin que les gammes de gris apparaissent en progression harmonieuse (3) » !


Latitude d’exposition des films argentiques

Du temps de la photographie argentique, on ne parlait pas de la « dynamique » d'un film, mais de sa « latitude d'exposition », ce qui revenait au même puisque cette expression sert à décrire la capacité de la surface sensible à restituer le contraste, la vraie échelle des luminances du sujet photographié. A ce propos, la latitude et la tolérance d'exposition des films étaient des critères très importants.

En photographie argentique, lorsque l’on considère la courbe caractéristique d’une surface sensible, la latitude d'exposition – qui se lit sur l’axe des abscisses – se situe entre les limites verticales passant par deux points caractéristiques de la courbe illustrant, l’un la densité minimum utile et l’autre la densité maximum utile (cf. figure 4). La latitude d'exposition peut s’exprimer en divisions de l'échelle des diaphragmes ou en diverses autres unités équivalentes, par exemple en IL, EV ou stops.

 
 
Figure 4 : Illustration de la latitude d’exposition d’un film négatif noir et blanc ordinaire.
 
 

Plage dynamique des capteurs numériques


Avant tout, on constate que la réponse d’un capteur numérique est linéaire (figure 5), ce qui le différencie fondamentalement du film argentique. Contrairement à ce dernier, la courbe de réponse ne présente pas de parties curvilignes dans les zones correspondant aux ombres et aux hautes lumières. Il n’y a donc aucune compression des tons.

 
 
Figure 5 : Courbe de réponse théorique d’un capteur numérique et illustration simplifiée de l’étendue dynamique.
 

Pareillement à la latitude d'exposition du film argentique, la plage dynamique du capteur numérique se lit sur l’axe horizontal, toutefois là entre des limites brusques (non progressives comme en argentique) se rapportant du côté des ombres, à un point de la courbe de réponse caractérisant le niveau de bruit numérique et du côté des hautes lumières, à un autre point marquant le niveau de saturation.

Dans son « encyclopédie » ambitieuse traitant du reflex numérique, René Bouillot note que le bruit, « phénomène produisant des petits points plus ou moins colorés dans les images numériques, surtout visibles dans les zones d’ombre […] se manifeste surtout aux sensibilités élevées ou en pose longue » et « affecte davantage les APN à petit capteur (4) ».

Quant au niveau de saturation, il est fonction de la taille du photosite (puits minuscule occupé principalement par une photodiode) qui est le plus petit élément d’un capteur. « Chacun des photosites [nous explique – en termes simples que nous reprenons volontiers ici – le photographe et auteur internationalement reconnu, Michael Freeman] est communément comparé à un récipient dans lequel de la lumière, plutôt que de l’eau, est versée. En l’absence de lumière, le récipient est vide, donc sans charge électrique, d’où du noir. Lorsque de la lumière l’emplit, il finit par déborder, donnant du blanc pur (5). » Le capteur numérique a ainsi tendance à écrêter les hautes lumières.

Ces deux critères que sont le bruit et la saturation n’étaient pas encore idéals au début de l’ère numérique. Or, comme le laisse voir la figure 5, la plage dynamique du capteur numérique dépend directement du niveau de bruit. On saisit mieux alors pourquoi toute procédure algorithmique de lutte contre la montée du bruit est avantageuse… puisque conduisant entre autres à une augmentation corrélative de la dynamique du système et donc à la possibilité de choisir des scènes plus contrastées au moment de la prise de vue. Mais avant tout, le réglage de la sensibilité à son niveau minimum (par exemple 100 ISO) reste le moyen le plus simple d'éviter la montée du bruit et par conséquent de profiter de la plage dynamique maximale du capteur.

Le point faible du capteur est justement sa faible étendue dynamique… que l’on peut facilement comparer à la latitude d’exposition quasi équivalente (c’est-à-dire tout aussi restreinte) du film inversible couleur, l’un comme l’autre imposant une exposition exacte et l’exclusion des sujets à fort contraste. Il faut dire que la pente de la courbe de réponse d’un capteur (tg alpha = 1) et la pente de la courbe caractéristique d’un film inversible (tg alpha = 1,65) sont similaires et particulièrement élevées par rapport à celle des films négatifs (tg alpha = 0,55 à 0,70).

En regard de cette réalité sensitométrique, il n’est pas étonnant que l’étendue dynamique des capteurs numériques standards (correspondant approximativement à 2,00 en valeur logarithmique, ce qui équivaut (6) à environ 7 divisions de l'échelle des diaphragmes) – comme la latitude d'exposition des films inversibles (voisine de 1,60 soit environ 5 divisions de l'échelle des diaphragmes) – soit relativement réduite… en comparaison de celle des films négatifs, notamment noir et blanc ! Ces derniers ont en effet une latitude d'exposition très grande, jusqu'à 3,5 soit presque 12 divisions (7) de l'échelle des diaphragmes. Soulignons par ailleurs que fondamentalement les capteurs ne tolèrent pas la moindre surexposition des hautes lumières… contrairement aux films argentiques !

Cela explique en partie pourquoi la photographie numérique a mis plus d’une décennie pour séduire les photographes professionnels ! Cette transformation profonde dans le métier s'est opérée très progressivement et la plupart des photographes sont demeurés longtemps sceptiques face à la nouvelle technologie qui, au début, a eu du mal à concurrencer sérieusement la photographie argentique… principalement, nous venons de le voir, en raison de la plage dynamique particulièrement limitée (du côté de la surexposition) des premiers capteurs numériques.

« D'abord rebutés soit par le prix, soit par la qualité d'image insuffisante [écrit également Emmanuel Bigler], les photographes n'ont pas pris tout de suite la mesure du progrès considérable apporté par le silicium […] D'une certaine façon, on peut dire que le maigre nombre de pixels proposé au tournant des années 2000 par rapport à la moindre prise de vue sur film […] a fait pendant quelques années écran à la perception de la vraie révolution apportée par les détecteurs d'images photographiques silicium (8). »

Mais « cette période est totalement révolue » estime finalement Emmanuel Bigler (dont nous sommes largement redevables) qui souligne en particulier « l'incroyable progrès en termes de dynamique et de bruit apporté par le capteur silicium par comparaison avec le film (9) ». A ce sujet, la société française DxO Labs – spécialiste mondialement reconnu du traitement d’image et de l'évaluation des appareils photographiques numériques – a publié sur son site les principales caractéristiques des reflex numériques mis sur le marché tout au long de la décennie 2003-2012. Il ressort des tests ainsi effectués sur plus de 190 types d'appareils différents que l’étendue dynamique maximum varie de 10 à 14 divisions de l'échelle des diaphragmes.

Du fait de ces avancées manifestes – observées depuis le milieu des années 1990 –, l’ensemble des professions de la photographie a désormais définitivement accepté la photographie numérique (10) dont les nombreux atouts ont déjà été décrits maintes fois. C’est pourquoi nous nous sommes limités ici à quelques considérations sensitométriques élémentaires en comparant – selon certains critères seulement – la courbe de réponse du film argentique à celle du capteur numérique. Nous tenions notamment à souligner les performances indéniables obtenues par les capteurs numériques au niveau de la qualité des ombres et dans une moindre mesure des hautes lumières (11) de l’image, ce formidable atout reposant essentiellement sur la linéarité de la courbe de réponse du capteur.

On remarquera en outre que les photographes professionnels (et la plupart des amateurs avertis) souhaitent généralement maîtriser sensitométriquement leurs images numériques en profitant pleinement des nombreux avantages du format RAW (12). Par contre, les fichiers de données brutes ainsi issus directement du capteur doivent être soumis à un post-traitement logiciel spécifique. En sorte, un véritable laboratoire numérique doté d’un ensemble d'outils logiciels performants et adaptés pour effectuer des corrections de plus en plus fines portant sur les différents paramètres de l’image. Dès lors, tout devient possible en matière de contraste, luminosité, saturation, balance des blancs, netteté… Le nostalgique de l'argentique peut même modifier à sa guise la distribution tonale de l’image en remodelant la courbe de réponse linéaire de son capteur numérique afin de lui attribuer par exemple une forme imitant peu ou prou celle de la courbe sensitométrique de son émulsion préférée d’autrefois !

Et si, malgré les avancées technologiques soulignées précédemment, les capteurs numériques semblent, pour certains, toujours plus ou moins désavantagés en matière de dynamique par rapport à la généreuse latitude d’exposition des films négatifs, n’oublions pas que les photographes d’aujourd’hui peuvent avoir aussi recours à des techniques spécifiques innovantes permettant de surpasser les capacités des capteurs en amplifiant considérablement la plage dynamique des images.

A ce propos, disons quelques mots sur l’imagerie HDR. En prise de vue extérieure, l’opérateur doit souvent affronter un contraste d’éclairement élevé ne pouvant être aussi facilement corrigé qu’en studio. Il doit alors faire un choix en matière d’exposition, soit privilégier les ombres tout en supportant les hautes lumières sans détails, soit l’inverse.

Justement, l'imagerie à grande gamme dynamique (High Dynamic Range Imaging ou HDRI) répond – entre autres – à ce problème en fusionnant, grâce à un logiciel spécifique, plusieurs images exactement superposables se différenciant seulement par leur niveau d’exposition, ce dernier allant de la sous-exposition à la surexposition extrêmes. Regroupant les informations de chaque image de base, cette synthèse numérique rehausse ainsi significativement la dynamique du rendu final en faisant ressortir une différentiation accentuée des plus fins détails à la fois dans les zones claires et sombres de l’image HDR créée. Un exemple est donné ci-après.

 
 
En mettant en évidence une nette surexposition au niveau de la fenêtre, cette photo d’intérieur (à fort contraste) démontre les limites de la plage dynamique du capteur.
 
 
Un traitement HDR – avec le mode Tone Mapping – rehausse ainsi significativement la dynamique du rendu final en faisant ressortir une différentiation des plus fins détails à la fois dans les zones claires et sombres de l’image (prises de vue et post-traitement logiciel réalisés par Patrick Bouchot).
 

Enfin, toujours en ce qui concerne les progrès en matière de dynamique, mentionnons simplement avec l’ingénieur et photographe, Patrick Moll, la technique récente nommée DRO : « Le DRO (D-Range Optimizer) est une optimisation logicielle de la plage dynamique réalisée par le processeur intégré au boîtier. Son nom est spécifique aux boîtiers reflex Sony Alpha, mais le principe général est décliné sur les appareils d'autres marques. […] Sa finalité présente un certain cousinage avec le HDR (High Dynamic Range), mais son mode de fonctionnement est fondamentalement différent. […] Cette fonction sert à compenser les limitations du capteur, qui ne peut enregistrer la même étendue dynamique que l'oeil humain (ou que le film argentique) du fait de sa réponse linéaire. […] L’action du DRO est pour l’essentiel un relèvement des luminosités les plus basses, avec un comportement proche de ce que réalise l’outil Tons foncés / Tons clairs de Photoshop (13). »

En résumé, si l’étendue dynamique (brusquement limitée de part et d’autre) des premiers capteurs numériques ne pouvait prétendre se mesurer à la grande latitude d’exposition (aux limites souples) des films argentiques négatifs, ce n'est plus tout à fait le cas avec les reflex numériques modernes d’aujourd'hui, et cela grâce aux avancées technologiques qui ont conduit à l'élaboration de capteurs de plus en plus performants et à l’amélioration continue des outils de post-traitement de l’image. Ainsi, l’optimisation croissante en termes de niveaux de bruit et de saturation (et en conséquence, de dynamique) permet d’oublier quelque peu le point faible du capteur numérique, d’autant plus que le laboratoire numérique apporte aussi des solutions innovantes pour parer à ce défaut… déjà suffisamment compensé par les nombreux avantages que présente la photographie numérique par rapport à la photographie argentique.

C’est à des nostalgiques de l’argentique cependant que nous laissons volontiers le dernier mot… du fond de leur laboratoire, ceux-ci nous disent – avec raison – que le rollfilm 120 soutient toujours (en 2013) la comparaison avec le capteur numérique en matière de qualité d’image !

 
 

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1. Ferdinand Hurter, Vero Charles Driffield, « Photo-chemical investigations and a new method of determination of the sensitiveness of photographic plates », The Journal of the Society of Chemical Industry, N° 5, Vol. IX, 31 mai 1890, p. 455-469.
2. Ibid.
3. Emmanuel Bigler, La sensito du Numérique : une introduction à 3 articles d'Henri Gaud, Article publié en 2005, Site Galerie-photo  [En ligne] http://www.galerie-photo.com/, (consulté en janvier 2013).
4. René Bouillot, La pratique du reflex numérique, 3e éd., Paris : Editions VM, 2010, p. 453.
5. Michael Freeman, Tout sur la photographie numérique, Köln : Evergreen, 2009, p. 615.
6. Cette conversion en divisions de l'échelle des diaphragmes – expression plus familière pour le photographe – s’opère en divisant la valeur logarithmique de la latitude d'exposition par 0,3 (log décimal de 2).
7. En matière de « latitude d’exposition », il est à remarquer que l’œil humain surpasse largement les performances des films argentiques – et à fortiori, celles des capteurs numériques – puisqu’il peut percevoir une gamme de luminances équivalant à environ 20 divisions de l'échelle des diaphragmes (André Marion, Acquisition et visualisation des images, Paris : Eyrolles, 1997).
8. Emmanuel Bigler, op. cit.
9. Emmanuel Bigler, ibid.
10. Le passage au numérique a été particulièrement massif en 2006, année où la plupart des boîtiers reflex franchissaient la barre symbolique des 10 mégapixels, ce qui constitue une définition suffisante pour la photographie de presse.
11. Si toutefois le contraste du sujet photographié est moyen (5 à 7 divisions de l'échelle des diaphragmes).
12. « Ce terme provient de l'anglais raw qui signifie brut. Le fichier contient toutes les données enregistrées par le capteur et est souvent assimilé à un négatif. Ces données sont inutilisables directement. Dans la plupart des appareils photographiques, le fichier est immédiatement “développé“ en un format affichable sur l'écran de l'ordinateur ou imprimable, JPEG ou TIFF, au prix d'une perte d'information. Mais certains appareils proposent de conserver en plus le format natif qui contient plus d'information et donne au photographe plus de liberté dans le traitement. Ce format natif diffère d'un constructeur à l'autre, bien qu'encodant toujours le même type de données. […] La particularité la plus intéressante est le fait que la pleine dynamique des capteurs est conservée » (L’encyclopédie libre Wikipédia, « RAW (format d'image) », [En ligne] http://www.wikipedia.org/, (consulté en janvier 2013).
13. Patrick Moll, Le DRO (D-Range Optimizer), Article publié le 31-5-2011, Site de Alpha-numérique, [En ligne] http://www.alpha-numerique.fr/, (consulté en janvier 2013).

 
 
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