Understanding the dynamic range in photography

Cette discussion sur la plage dynamique (Dynamic Range) se concentre spécifiquement sur les façons pratiques de gérer la qualité des images quand les conditions de lumière dépassent la capacité d’enregistrement du capteur d’un appareil numérique.

Histogramme de la plage dynamique

C’est l’un des défits les plus communs que l’on rencontre en photographie, et il n’a rien à faire avec l’exposition de l’image. C’est parce que la différence entre les zones les plus claires et les plus foncées, ce que l’on appelle la ‘plage dynamique’, est si grande que l’appareil numérique ne peut pas capter avec une seule exposition toute la gamme de lumière disponible.

En studio, une cible calibrée permet d’obtenir une plage dynamique optimale (histogramme à trois pics). De plus, la calibration du gris permet d’ajuster automatiquement la balance des blancs avec Photoshop et Lightroom

C’est comparable à l’œil humain qui peut être ébloui avec une lumière intense, ou incapable de voir dans le noir. Ces limites s’appliquent aussi au capteur d’une caméra. Les capteurs des appareils photo numériques peuvent capturer une vaste gamme de valeurs de luminosité. Cette luminosité de compare à ce que l’œil humain peut percevoir.

Peinture illustrant une distribution optimale à l’intérieur de la plage dynamique

Si vous êtes confronté à une scène qui a une plus large plage dynamique (ou gamme de luminosité) que le capteur de l’appareil photo peut enregistrer, il faut savoir s’ajuster.

Il serait simple de concevoir un appareil photo numérique avec une plage dynamique plus large. Il s’agit tout simplement de réduire le contraste de l’image. C’est donc une question d’équilibre entre la plage numérique et le contraste. En réduisant le contraste d’une image, on perd la vibrance des teintes de couleurs.

Qu’est-ce que la plage dynamique en photographie?

La plage dynamique est une façon de décrire la gamme d’intensité lumineuse, des sections d’ombre les plus sombres aux sections de lumière vive. Elle peut être mesurée en variation de la valeur d’exposition (EV) ou ‘stops’.

Certaines scènes ont une large plage dynamique, ce qui signifie qu’il y a une différence importante dans la valeur d’exposition entre l’ombre et la lumière. D’autres scènes ont une gamme beaucoup plus étroite des niveaux de luminosité, par exemple durant une journée ombragée.

On peut visualiser la plage dynamique en consultant l’histogramme associé à une photo. Cet histogramme présente la répartition des pixels de la photo. Si l’histogramme est tronqué du côté gauche, on a une perte de détail dans les ombres (des pixels sont restés éteintes). Si il est tronqué du côté droit, on a des pixels perdus dans les zones très claires.

 Afin d’équilibrer la lumière de la scène extérieure, il a fallu sacrifié le détail de la composition de l’intérieur

 L’histogramme montre que le contenu de la photo est tronqué du coté gauche de l’histogramme, indiquant une perte de détail dans les parties trop sombres (intérieur). Ce choix a été fait afin d’obtenir un éclairage équilibré à l’extérieur.

Inversément, afin d’obtenir un éclairage adéquat pour l’intérieur, il a fallu sacrifier l’exposition de l’extérieur, qui est maintenant fortement sur-exposé.

L’histogramme montre une perte d’information du coté droit, indiquant une sur-exposition. Cette zone est montré en rouge sur la photo (mode d’identification des pixels ‘brûlées’)

Les données EXIF des deux images permettent de comparer la différence entre les deux photos:

                                        Extérieur         Intérieur       Différence

     Vitesse                       1/600 sec        1/60 sec        3.5 EV

     Ouverture                   f/2.8                f/2.8              Nil

     ISO                              2000               2000              Nil

On peut donc dire qu’il manque une valeur de 3.5 EV pour permettre au capteur d’enrégistrer une image complète ou les zones intérieures et extérieures sont visibles.

Note: les valeurs EV (ouverture du diaphragme) doublent à chaque graduation d’un objectif:

(ouvert)                                                                                  (fermé)

f/1.0,  f/1/4,  f/2,  f/2.8,  f/4.0,  f/5.6,  f/8,  f/11,  f/16,  f/22,  f/32,  f/64

Lorsque vous prenez une photo, il y a en fait deux gammes dynamiques à considérer : la dynamique de la scène vous photographiez et la plage dynamique de l’imagerie du capteur. Le capteur d’un appareil photo numérique ne peut enregistrer qu’une plage dynamique pré-déterminée.

Tant que la différence de luminosité entre les zones les plus sombres et les plus claires d’une scène tombent dans cette gamme dynamique, vous serez en mesure d’enregistrer des détails dans les deux domaines simultanément.

Par exemple, si un capteur de l’appareil photo possède une plage dynamique de 8 EV et la différence entre l’ombre et met en lumière est de 6 EV, alors vous serez en mesure de capturer les détails dans tous les domaines de la scène.

Cependant, si la gamme dynamique de la scène est supérieure à celle du capteur de la caméra, vous obtenez une photo où les ombres sont complètement noir ou les espaces clairs sont ‘brulés’, et parfois les deux.

Comment s’ajuster à la perte de luminosité

À l’époque de l’argentique, c’était un processus fastidieux d’évaluer la plage dynamique. Il fallait prendre les mesures d’exposition avec un posemètre des zones plus foncé et des parties les plus lumineuses de la scène, calculer l’écart de la valeur d’exposition entre les deux, puis vérifiez si les films utilisés étaient capables de capturer cette gamme d’intensités lumineuses et de la façon d’optimiser l’exposition.

Avec un appareil photo numérique, vous pouvez simplement examiner l’histogramme de luminosité sur l’écran. Cela vous permet de voir instantanément si la dynamique de la scène (représentée par l’histogramme) s’inscrit dans la plage dynamique du capteur (représenté par la largeur du graphique).

Si l’histogramme est tronqué d’un côté ou l’autre de l’échelle, vous avez perdu des détails de l’image, soit dans l’ombre (si c’est tronqué sur la gauche) ou dans les zones claires (s’il est tronqué sur la droite). Vous pouvez possiblement ajuster l’exposition de la scène afin d’optimiser la capture, selon la plage dynamique du capteur.

Souvent, vous pouvez régler l’exposition, reprendre la photo et résoudre ainsi le problème. Mais des scènes avec une très large gamme de luminosité produisent également un histogramme très large, et parfois l’histogramme est tellement large qu’il est tronqué à une extrémité ou l’autre, et qu’il est impossible de régler l’exposition.

Plage dynamique large qui n’excède pas la capacité du capteur.

Sous une faible luminosité, la gamme de tons de l’image est plutôt restreinte, produisant un histogramme étroit. Cette exposition ne posera aucun problèmes. Mais la gamme de luminosité extrêmes d’une journée ensoleillée peut produire un histogramme tellement large qu’il ne rentre pas dans la gamme dynamique, peu importe les ajustements d’exposition.

Plage dynamiqe étroite, avec réduction du contraste

Comment utiliser l’information de l’histogramme

L’histogramme vous indique la gamme de tons dans l’ensemble de l’image, mais pas nécessairement celles qui vous intéressent le plus ! Parfois, c’est voulu d’avoir des zones denses de noir ou de blanc.

Il faut utiliser l’histogramme comme guide, mais envisager une procédure de contrôle des secteurs clés de la photo vous-même. Vous pouvez faire une lecture de luminosité en mode ‘Spot meter’ pour vérifier la luminosité des zones les plus brillants et les plus sombres dans les secteurs importants de l’image pour évaluer la meilleure exposition qui permet de capter les détails dans les zones claires et sombres.

Alternativement, vous pouvez capter votre image en mode ‘natif’. Ce format compte jusqu’à 1 EV supplémentaire pour capter les détails dans les zones d’ombre et des détails que vous pouvez extraire plus tard dans votre logiciel de conversion. Vous ne voyez pas ces détails sur l’histogramme de l’écran de caméra.

Parfois, même le fichier en mode ‘natif’ ne sera pas suffisant pour capter les détails dans les zones sombres. C’est alors que l’on peut considérer l’utilisation de la photographie HDR (High Dynamic Range).

Paramétrage de l’appareil photo optimal

Vous obtiendrez le meilleur rendement de la plage dynamique du capteur si vous réglez l’ISO au plus bas réglage possible et captez l’image en format ‘natif’. Les fichiers ‘natifs’ contiennent plus d’informations que les fichiers JPEG et elles offrent plus de latitude d’exposition, ce qui rend plus facile ne post-traitement d’ajuster l’exposition et gérer images qui sont soit trop claires ou trop sombres.

Photonstophotos

Chartre illustrant la variation de la plage dynamique en fonction de l’ISO.

Enfin, comme son nom l’indique, une plage dynamique élargie (HDR) vous permet d’augmenter considérablement la gamme dynamique. Plutôt que d’essayer d’intégrer la dynamique de la scène en une seule exposition, le mode HDR permet de capturer plusieurs images identiques avec des valeurs d’exposition différentes qui sont ensuite combinées pour en faire qu’une seule avec une plage dynamique plus large.

La fonction HDR peut être faite automatiquement par la caméra au moment de la capture, ou en post-traitement par des logiciels tel que Photomatix.

Capture en mode HDR (High Dynamic Range)

Capture en mode HDR (High Dynamic Range) avec histogramme résultant

Le système de zones conçu par Ansel Adam été parmi les premières à tenter de manipuler le processus et un ensemble de photos de façon prévisible d’éclairage sans avoir à deviner les résultats.

Éclairage de la scène

L’utilisation d’un flash et de réflecteurs permettent d’équilibrer l’éclairage et combler l’éclairage dans les zones d’ombres où détail seraient perdus.

Éclairage avec flash pour équilibrer la luminosité intérieure et extérieure

Pour les photos de paysage, l’usage de filtres neutres à densité gradué permettent de balancer l’éclairage d’une scène. Les filtres DN gradués sont claires en bas et en haut ; en positionnant la moitié sombre sur un ciel lumineux, vous pouvez apporter sa valeur d’exposition, plus proche de celle de l’avant-plan sombre.

Souvent les photographes de paysage choisissent de capter deux photos d’une scène, une qui est exposée afin de conserver des détails dans le ciel et une autre qui a été exposée selon l’exigence de l’avant-plan, afin d’enregistrer les détails de la scène. Ces deux images peuvent ensuite être combinées en utilisant Photoshop ou un logiciel similaire.

Les meilleures photos proviennent de conditions d’éclairage terne (tel journée nuageuse), et laisser le processus de post-traitement ajouter du contraste.