Le capteur numérique
Le capteur est constitué d'un ensemble de cellules sensibles au rouge, vert et bleu, l'oeil étant plus sensible au vert, pour une cellule sensible au rouge et au bleu, on a deux cellules sensibles au vert. (c'est une description simplifiée mais qui suffit pour notre propos)
Chaque cellule peut être considérée comme un réservoir qui se remplit plus ou moins suivant la quantité de lumière qu'il reçoit : s'il ne reçoit aucune lumière le point de l'image correspondant sera noir, s'il reçoit suffisamment de lumière pour le remplir le point correspondant de l'image sera blanc.
Cela montre que la cellule ne peut recevoir qu'une quantité maximale de lumière (réservoir plein), si on lui ajoute plus de lumière cela ne changera rien au niveau de l'image, le point sera toujours blanc : cette quantité maximale correspond à la dynamique du capteur, elle s'exprime en nombre de EV (les photographes parlent aussi de 'stops').
Définition de l'EV : on a EV=0 quand la bonne exposition correspond à F/1 pour 1 seconde
Une augmentation d'un EV correspond au doublement de la quantité de lumière, soit au doublement de l'ouverture, soit au doublement du temps d'exposition (division de la vitesse par 2)
Les capteurs des appareils actuels ont une dynamique correspondant à environ 8 EV, soit un rapport de 1 à 250 entre la plus basse et la plus haute lumière capturable.
Le niveau 1 correspond à la zone la plus sombre de l'image, tandis que le niveau 8 correspond à la zone la plus lumineuse.
On voit également que le capteur répond d'une manière linéaire : à un doublement de la quantité de lumière (doublement des EV) correspond un doublement de la réponse du capteur.
L'œil par contre à une réponse dite logarithmique : pour doubler la réponse de l'œil il faut près de 10 fois plus de lumière, ce qui fait que l'œil a une dynamique qui correspond à environ 20 EV soit un rapport de 1 à 1 000 000 entre la lumière la plus faible et la lumière la plus forte (l'œil à besoin d'un temps d'adaptation)
Plage dynamique de différentes scènes
Voici quelques repères pour déterminer la dynamique d'une scène à photographier – Sujets sous un ciel couvert, ciel non inclus : 3 EV
– Scènes ensoleillées, éclairage frontal : 4 EV – Sujets sous un ciel couvert, ciel inclus : 6 EV
– Scènes en éclairage latéral ou zénithal incluant ciel et ombre : 7 EV – Éclairage durant un lever ou un coucher de soleil, ciel dégagé : 10 EV – Scènes de nuit avec des rues illuminées : 12 EV
– Intérieur avec le soleil rayonnant à travers une fenêtre dans la pièce : 14 EV
On voit que nos capteurs actuels ne sont pas capables de saisir toutes les scènes référencées ci-dessus
Plage dynamique des appareils de capture et d'affichage
Il est intéressant de connaître les plages dynamiques des appareils que l'on utilise pour capturer des images et pour les reproduire
– Impression mat de haute qualité : entre 5 et 6 EV (rapport de 1 à 50) – Film diapositive : 6 EV (rapport de 1 à 64)
– Impression brillante de moyenne qualité : entre 6 et 7 EV (rapport de 1 à 100) – Appareil numérique compact : entre 6 et 7 EV (rapport de 1 à 100)
– Impression brillante de haute qualité : entre 7 et 8 EV (rapport de 1 à 200) – Appareil numérique reflex : jusqu'à 8 EV (rapport de 1 à 300)
– Moniteur d'ordinateur : 9 EV (rapport de 1 à 500) – Film négatif : jusqu'à 11 EV (rapport de 1 à 2000) – Œil humain : 20 EV (rapport de 1 à 1 000 000)
– Lumière solaire extérieure : 17 EV ( rapport de 1 à 100 000 On voit ainsi que l'on a un double problème :
– Comment capturer une scène dont la dynamique excède la capacité du capteur de l'appareil ? – Comment reproduire cette scène sur un support de dynamique plus faible
C'est à ces deux questions que répond la technique de l'HDR (High Dynamic Range)
Bruit de fond
Le capteur d'un appareil photo numérique est un dispositif électronique, et comme tous ces dispositifs il existe un bruit de fond (le souffle que vous entendez dans un poste de radio lorsque le volume est à zéro)
Pour un capteur, ce bruit se traduit par des points colorés dans les zones sombres de l'image (zones où la
quantité de lumière reçue est la plus faible, celle-ci n'étant pas suffisante pour cacher le bruit) ce qui en diminue le piqué
Ainsi si on désire avoir une bonne qualité d'image on évitera d'exploiter la zone où ce bruit est présent, de même on évitera la zone des hautes lumières où les détails se perdent dans les zones saturées, on réduit ainsi la
dynamique exploitable d'un capteur à 6 EV
La technique HDR va également permettre de récupérer des détails dans les ombres (en surexposant pour avoir suffisamment de lumière évitant ainsi le bruit) et dans les hautes lumières (en sous-exposant pour réduire la lumière et éviter ainsi de saturer le capteur)
Fichier HDR
On connait le format de fichier le plus courant d'une image, le JPEG, c'est un format qui enregistre chaque couleur sous 8 bits ce qui correspond à une dynamique d'environ 8 EV
Il existe également le format TIFF qui enregistre les couleurs en 16 bits ce qui correspond à une dynamique d'environ 16 EV
Ces deux formats ne sont pas adaptés pour contenir une image HDR pouvant aller jusqu'à 20 EV, aussi des nouveaux formats ont été créés spécifiquement pour contenir ces images, il suffit de savoir qu'ils existent et que les logiciels utilisés en HDR les utilisent.
Et le format RAW ?
Tout photographe voulant exploiter au maximum les capacités de son appareil à donner des images de qualité utilise le format RAW de celui-ci comme format d'image.
Peut-on remplacer les images RAW utilisées pour générer l'image HDR (comme on le verra plus tard) par cette image HDR ? La réponse est non, car les logiciels utilisés pour créer ces images HDR ne donnent pas les mêmes résultats, aussi il est préférable de conserver les images source ayant servies à créer l'image HDR.
Création de l'image HDR
Pour créer l'image HDR de grande dynamique (au moins 14 EV) on va "fusionner" plusieurs images de la même scène, prises avec des expositions différentes de façon à obtenir des détails aussi bien dans les zones d'ombre que dans les hautes lumières
Considérons la dynamique exploitable du capteur, soit 6 EV
E correspond à l'exposition mesurée par l'appareil
Tous les appareils possèdent un mode de prise de vue nommé braketing : celui-ci correspond à prendre
plusieurs vues successives lorsque l'on appuie sur le déclencheur, une vue correspond à l'exposition calculée les autres à une ou deux vues sous-exposées et à une ou deux vues exposées, la valeur des sous et
sur-expositions dépendant de l'appareil.
Considérons ici le cas d'un braketing de 3 vues, séparées de 2 EV : on obtient alors une vue exposée avec l'exposition E calculée par l'appareil, une vue sous-exposée E – 2 EV et une vue sur-exposée E + 2 EV. On peut représenter ces trois vues comme ceci :
Chaque vue à une dynamique exploitable de 6 EV, mais la fusion de ces trois images pourra donner une image HDR avec une dynamique de 10 EV
Considérons maintenant un braketing 3 vues séparées de 2 EV, avec une correction de -2 EV puis avec une correction d'exposition de +2 EV.
On obtient alors une première série de 3 vues :
– Une vue exposée à E : exposition E, braketing +2 EV, correction -2 EV – Une vue exposée à E – 2 EV : exposition E, braketing 0 EV, correction -2 EV – Une vue exposée à E – 4 EV : exposition E, braketing -2 EV, correction -2 EV Et une seconde série de 3 vues :
– Une vue exposée à à E : exposition E, braketing -2 EV, correction +2 EV – Une vue exposée à E + 2 EV : exposition E, braketing 0 EV, correction +2 EV – Une vue exposée à E + 4 EV : exposition E, braketing + 2 EV, correction +4 EV On pourra supprimer l'une des deux vues exposées à E
Comme précédemment chaque vue à une dynamique exploitable de 6 EV, mais la fusion de ces cinq images pourra donner une image HDR avec une dynamique de 14 EV
D'autres méthodes de prises de vue sont utilisables, celle qui précède a l'avantage d'une mise en œuvre facile, on en décrira une autre plus loin
Ces méthodes de prises de vue, résolvent le premier point à savoir comment capturer une scène de grande dynamique avec un capteur de dynamique plus restreinte
Tone Mapping
Le Tone Mapping va permettre de résoudre le second point, c'est-à-dire permettre la reproduction d'une image à grande dynamique (une image HDR) sur un support de dynamique plus faible : il s'agit par exemple d'imprimer une image de 14 EV de dynamique sur un papier brillant dont la dynamique ne dépasse pas 7 à 8 EV.
Les opérateurs qui réalisent le Tone Mapping sont de deux types : global et local, les deux ayant pour fonction de compresser la dynamique de la photo pour la rendre compatible avec le support d'affichage
Un opérateur global applique la même compression à tous les pixels de l'image : le traitement est rapide, mais les images obtenues manquent en général d'impact visuel, elles sont plates mais en général réalistes : c'est le Tone Compressor de Photomatix Pro par exemple.
Un opérateur local agit sur un pixel en tenant compte de ses voisins, aussi la compression variera d'un pixel à l'autre, le traitement sera plus long, il fournira des images avec plus d'éclat, mais pourra aussi donner des images surréalistes : c'est le Details Enhancer de Photomatix Pro.
C'est surtout dans le traitement du Tone Mapping que l'on aura des différences de rendu entre les divers logiciels
Les prises de vue
Plusieurs possibilités de prises de vue sont envisageables, en utilisant le braketing et la correction d'exposition, je décris ici une méthode plus manuelle, mais qui donne une plus grande maîtrise sur l'exposition. A vous de mettre au point votre propre méthode.
Mettre en place l'appareil
Avant toute chose il est important d'utiliser l'appareil photo de manière à obtenir les meilleures images possibles. Pour cela on suivra autant que possible les directives suivantes :
– Appareil sur trépied
– Utilisation d'une télécommande manuelle ou sans fil
– Image en résolution maximale au format RAW, ISO le plus faible donnant la meilleure qualité d'image – Affichage de prévisualisation : on organise l'affichage des prises de vue de telle sorte à afficher
l'histogramme – Flash désactivé
– Mode de mesure de l'exposition : multizones
Prendre les photos
création de l'image HDR : on peut par exemple prendre une photo avec le bouchon sur l'objectif (pour cela se mettre en mise au point manuel)
Plusieurs techniques sont envisageables pour la prise des photos, en utilisant ou non le braketing. Si on utilise le braketing on pourra mettre en œuvre le protocole suivant :
– Mise au point : on fait la mise au point en automatique, puis on passe en manuel pour que celle-ci soit faite toujours au même endroit
– Mode d'entraînement : braketing d'exposition, avec 3 vues décalées de 2 EV
– Mode de prise de vue : on se positionnera en mode priorité à l'ouverture, celle-ci une fois choisie ne doit pas être modifiée
– Première série de photos : on positionne la correction d'exposition sur –2 EV, on réalise les prises de vue, correspondent aux expositions E, -2 EV et -4 EV
– Deuxième série de photos : on positionne la correction d'exposition sur +2 EV, on réalise les prises de vue, correspondent aux expositions E, +2 EV et +4 EV
Avec cette méthode on obtient 6 photos, dont deux ayant la même exposition E, on en utilisera qu'une Si on n'utilise pas le braketing on peut utiliser le protocole suivant :
– Mise au point : on fait la mise au point en automatique, puis on passe en manuel pour que celle-ci soit faite toujours au même endroit
– Mode d'entraînement : le Sony Alpha A700 permet d'utiliser le retardateur 2 sec qui a l'avantage de relever en premier le miroir avant le déclenchement, ce qui minimise les vibrations. Si votre appareil permet cela utiliser cela
– Mode de prise de vue : on se met d'abord en mode priorité à l'ouverture, celle-ci une fois choisie ne doit pas être modifiée, on repère le temps d'exposition T0 calculé, puis on passe en mode manuel et on sélectionne le
temps d'exposition T0.
– Première vue : à partir du temps T0, on diminue le temps d'exposition de telle façon qu'il n'y ait pas d'écrêtage des hautes lumières (cet écrêtage est souvent indiqué par un clignotement des zones claires en écrêtage) : l'histogramme doit se situer vers la gauche, on obtient le temps d'exposition minimum Tmin qui
donnera la vue la plus sombre avec les détails dans les hautes lumières.
– Vues suivantes : à partir de Tmin on prendra des vues successives en quadruplant le temps d'exposition
(correspond à +2 EV) entre chaque vue (si la molette de réglage du temps d'exposition est réglée pour varier de ½ EV à chaque pas cela correspond à 4 pas, si elle est réglée pour varier de 1/3 EV cela correspond à 6
pas)
– Dernière vue : elle correspondra à celle qui positionnera le bord gauche de l'histogramme au milieu (les ombres deviennent des tons moyens), c'est le temps d'exposition maximum Tmax qui donnera l'image la plus
claire avec les détails dans ombres.
Cette méthode permet de mieux maîtriser l'exposition, on est certain de capter l'intégralité de la dynamique de la scène.
On notera que s'il est préférable de réaliser ses prises de vue au format RAW, si votre appareil ne le permet pas, on utilisera le format JPEG
Avant de créer l'image HDR
Une fois que l'on dispose des images sources (on supposera ici que l'on est en format RAW) on a deux possibilités : soit faire traiter directement les fichiers RAW par le logiciel HDR soit les convertir en fichiers TIFF 16 bits.
Cette dernière option peut être intéressante dans le cas où certains ajustements peuvent être souhaitable sur les fichiers source, comme par exemple corriger un bruit excessif ou des aberrations chromatiques : les corriger évitera de les accentuer dans le logiciel HDR.
Certains précautions sont à prendre si l'on envisage de convertir les fichiers RAW en fichiers TIFF : – Opérations à ne pas utiliser
– Tonalité : curseurs à zéro – Luminosité – Exposition – Saturation – Contraste – Noirs – Courbes – Netteté – Opérations permises
– Balance des blancs – Aberration chromatique – Réduction du bruit – Vignettage
– Recadrage
Photomatix Pro
Il existe plusieurs logiciels HDR, j'ai choisi d'utiliser Photomatix Pro étant le plus connu et d'un prix raisonnable.
La version 3.1 a été utilisée dans ce document
Quelque soit le format des photos source, le processus reste le même Quand le programme démarre la fenêtre suivante s'affiche :
Je ne ferais pas un tutorial complet sur 'utilisation de Photomatix, je montrerai uniquement le processus de génération d'une image HDR en utilisant la commande "Generate HDR image"
Ouverture des images sources
On clique sur le bouton <Generate HDR image>, il s'ouvre alors la fenêtre suivante :
On clique sur le bouton <Browse...> et on sélectionne les images sources à utiliser pour générer l'image HDR.
Photomatix utilisera les métadonnées pour déterminer l'écart d'exposition entre chaque photo, si ces informations n'existent pas il ouvrira une fenêtre qui vous permettra de préciser manuellement cet écart.
Options de génération
La fenêtre suivante s'ouvre en suite :
On dispose des options suivantes :
– Align source images : il s'agit de faire en sorte que les images se superposent parfaitement. Si vous êtes sûr
qu'aucun bougé n'est intervenu, on décoche l'option. Sinon on coche, l'option "By correcting horizontal and vertical shifts" corrige uniquement des mouvements de translation, tandis que l'option "By matching features" corrige en translation et rotation.
– Don't crop : on cochera si l'image résultante doit avoir la même taille que les images sources
– Reduce chromatic aberrations : à priori on le réalise avant dans un logiciel comme Adobe Lightroom,
sinon on coche l'option si nécessaire
– Attempt to reduce ghosting artifacts : cette option est utilisé dans le cas où des éléments de la scène à
photographier ont bougé entre deux images, il se produit alors un effet "fantôme" que Photomatix va tenter d'éliminer. L'option "Background movements" sera utilisée pour des mouvements de fond (feuillage, une cascade, …), l'option "Moving objects/people" dans les autres cas. On essaiera en premier lieu avec "Detection" sur "Normal", et cela ne suffit pas sur "High".
A priori je laisse les autres options par défaut, mais vous puvez vous amuser avec. Une fois les options positionnées on click sur le bouton <OK>
Génération de l'image HDR
Des fenêtres successives indiquent alors le traitement de génération de l'image HDR Les images sont d'abord converties en un format interne à Photomatix
Puis elles sont alignées (si l'option a été positionnée)
Enfin l'image HDR est générée
A ce niveau on dispose d'une image HDR que l'on peut sauvegarder dans l'un des formats d'image HDR reconnus par Photomatix.
L'image HDR est affichée sur le moniteur et comme on peut le constater sa grande dynamique n'est pas affichable, l'image est en général trop sombre
La fenêtre de gauche est le visualiseur HDR : il permet entre autre d'avoir un aperçu "affichable" d'une zone de l'image HDR en passant la souris sur cette zone.
Il est recommandé de passer la souris sur l'ensemble de l'image pour détecter d'éventuels problèmes sur l'image HDR générée afin de recommencer une génération avec d'autres options si des problèmes sont détectés.
On peut sauvegarder l'image si l'on désire refaire plusieurs fois l'étape suivante (le Tone Mapping) avec différents paramètres sans avoir à refaire la génération de l'image HDR, on utilisera dans ce cas le format de fichier "Radiance" qui conserve dans son entête le profil couleur utilisé, que l'on n'aura alors pas besoin de réaffecter.
Tone Mapping
L'étape suivante va permettre de compresser la dynamique de l'image HDR de telle façon qu'elle soit visualisable sur un moniteur ou imprimable sur un papier
Pour cela on clique sur le bouton <Tone Mapping> Il apparaît alors la fenêtre suivante :
L'aperçu que l'on voit est affiché avec les paramètres par défaut de l'opérateur local "Details Enhancer" qui est utilisé par défaut
On rappelle que Photomatix peut utiliser soit un opérateur global "Tone Compressor", qui compresse la dynamique de l'image de la même manière sur l'ensemble des pixels de l'image, soit l'opérateur local "Details Enhancer" qui compresse la dynamique d'un pixel de l'image en tenant compte de ses voisins.
Dans ce document on utilisera l'opérateur local qui permet d'affiner avec précision le rendu de l'image que l'on veut obtenir
Expliquons l'influence des différents paramètres, l'intensité de cette influence est liée au type d'image et au rendu que vous désirez obtenir :
– Strength : contrôle l'intensité du tonemapping, 70 donnant un rendu naturel, vers la gauche l'image est
éclaircie (l'histogramme se déplace vers la droite) mais devient plus artificielle, vers la droite elle devient plus sombre (l'histogramme se déplace vers la gauche) mais plus naturelle
– Color Saturation : vers la droite augmente la saturation également dans chaque couche RVB, vers la
gauche désature l'image, l'image tend vers le noir et blanc. Si vous voulez traiter une image en noir et blanc il est préférable de les convertir d'abord en noir et blanc dans un éditeur avant de générer l'image HDR. – Luminosity : règle la luminosité et le contraste globale de l'image, vers la droite débouche les ombres
(expansion des tons foncés et moyens sur l'histogramme), vers la gauche assombrit et réduit le contraste dans les ombres (compression des tons sombres et moyens sur l'histogramme)
– Light Smoothing : régit l'adoucissement de la lumière, à gauche le rendu est artificiel avec production
à droite le rendu est plus réaliste, très dépendant de l'image
– Tone Settings : contient trios paramètres de luminosité et contraste, dans la plupart des cas on n'y touche
pas
– White Point : au-delà de ce point les pixels sont écrêtés au blanc pur, vers la droite l'image est
éclaircie (l'histogramme se décale vers la droite)
– Black Point : les pixels sous ce point seront écrêtés au noir pur, vers la droite l'image est assombrie
(l'histogramme se décale vers la gauche)
– Gamma : assombrit (vers la gauche) ou éclaircit (vers la droite) sans écrêter les ombres et les hautes
lumières
– Color Settings :contrôle fin des couleurs
– Temperature : vers la gauche on augmente la température (tend vers le bleu), vers la droite on
diminue la température (tend vers le jaune orangé)
– Saturation Highlights : comme Color Saturation mais uniquement sur les pixels clairs, pour
corriger un excès de tonemapping
– Saturation Shadows : comme Color Saturation mais uniquement sur les pixels foncés, pour
corriger un excès de tonemapping
– Microcontrast : contrôle l'accentuation du contraste local, vers la gauche réduit le contraste local et
éclaircit l'image, l'inverse vers la droite – Smoothing Settings :
– Micro-smoothing :lisse l'accentuation des détails à petite échelle, vers la droite peut donner un
aspect plus propre à l'image
– Highlights Smoothing : n'éclaircit que les tons clairs, peut améliorer le contraste ou réduire les
halos
– Shadows Smoothing : n'éclaircit que les tons foncés, réduit le contraste, utile pour atténuer l'effet de
"Shadows Clipping"
– Shadows Clipping : écrête les tons foncés jusqu'au noir, l'effet peut être dur et non naturel, le
contraste augmente, utile pour éliminer le bruit dans les parties les plus sombres qui n'a pu être éliminé avec "Micro-smoothing", n'agit que sur les tons foncés (on le voit nettement sur l'histogramme)
A chaque modification ne pas hésiter à utiliser la loupe en cliquant sur une zone de l'image pour voir l'influence d'un paramètre sur cette zone
Une fois tous les paramètres positionnés on clique sur le bouton <Process> afin de réaliser le tonemapping, une image de progression s'affiche
A la fin l'image s'affiche, on peut alors la sauvegarder de préférence au format TIFF 16 bits pour éventuellement réaliser un post-traitement dans un éditeur
et l'image HDR générée :
Les étapes à suivre :
– Partir des paramètres par défaut ou de paramètres que l'on aura sauvegarder d'un précédent traitement d'une image similaire
– La fenêtre d'aperçu sera la plus grande possible, tout en sachant que plus l'image est grosse moins l'aperçu est fidèle
– Corriger les défauts majeurs en utilisant dans un premier temps uniquement les quatre paramètres du haut – Affiner avec les autres paramètres si nécessaire
– Enregistrer vos paramètres – Exécuter le Tone Mapping
Un exemple
J'ai pris un exemple extrême : un intérieur dont les volets sont fermés sauf pour une fenêtre : voici la photo telle que l'appareil l'a exposée
On voit que la partie à l'extérieure de la fenêtre est surexposée, pour obtenir des détails dans cette zone on peut modifier l'exposition et obtenir l'image ci- dessous :
Dans ce cas la pièce est complétement dans l'ombre
Pour obtenir une image complète j'ai donc procédé à la prise de vue des images suivantes :
Chaque image est séparée de 2 EV
Prise au format RAW elles ont été converties au format TIFF 16 bits dans Lightroom (on peut aussi utiliser Bibble, ou Gimp avec UFRaw)
Ouverture des images dans Photomatix :
On clique sur <OK> :
Les photos ont été prises avec un trépied et une télécommande, j'ai donc laissé les options telles quelles, on clique sur <OK>, l'image HDR est générée
On sauvegarde l'image HDR au format Radiance On clique sur le bouton <Tone Mapping> :
La pré-visualisation avec les paramètres par défaut donne déjà une image avec des détails sur l'ensemble de la photo.
Il s'agit maintenant de trouver les bons paramètres pour obtenir l'image désirée
Post-traitement
Parfois l'image générée a besoin d'être ensuite traitée dans un éditeur, pour cela on ouvre le fichier TIFF généré, puis on vérifie les points suivant : (cas d'utilisation de Photoshop)
– Niveaux : la position des points blanc et noir doit être proche des extrémités
– Courbes : on essaiera une courbe en S pour augmenter éventuellement le contraste
– Tons foncés/Tons clairs : contrôle plus précis que Courbes, utiliser la glissière Tons moyens
– Filtre Accentuation : pourcentage faible, rayon élevé
– Filtre Photo : pour un équilibrage des couleurs
– Supprimer d'éventuels défauts avec les outils Correcteur et Tampon On s'adaptera aux outils disponibles dans d'autres éditeurs comme GIMP Mon image post-traitée :
En conclusion
Ce document reste une approche du Tone Mapping, il existe de nombreux livres traitant de la question, en voici deux qui ont inspirés ce document :
En français : HDR Vers la maîtrise des contrastes extrêmes de Michael Freeman
