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

mardi 1er septembre 2009

Tout le monde a fait l’expérience de photos aux contrastes si forts que les zones claires paraissent brûlées et les zones sombres bouchées alors que dans la scène prise en photo, les contrastes étaient pour les yeux agréables et subtils.

Fig. 3. L’œil encaisse de très fortes plages dynamiques, ce qui lui permet de voir encore très bien dans les parties sombres alors que e capteur de l’appareil photo est plus limité.

Cet écart entre les lumières les plus fortes et les ombres les plus sombres, que ce soit dans un paysage réel, sur un support photographique (tirage ou écran) ou tout autre média, porte le nom de plage dynamique (dynamic range). Pour un paysage naturel, c’est la plage dynamique de notre vision qui intervient et elle est très large. La plage dynamique d’une image va varier selon le support sur lequel on la présente. Pour mesurer une plage dynamique, on mesure les luminances maximum et minimum et on les compare sous la forme d’un taux de contraste par exemple 10 000 : 1 pour un paysage réel.

L’oeil a une plage dynamique si importante qu’il peut voir une étoile dans la nuit (1/1000 cd/m2 ou 0,01 lux) , mais aussi un ciel en plein jour (10 000 cd/m2 ou 1 000 000 lux).

Si ce concept est assez simple à comprendre, les choses se compliquent dès qu’on essaye de comparer des médias différents entre eux. Nos yeux n’ont pas une disposition naturelle pour estimer les différences de luminance et les ratios que nous utilisons pour la mesurer enflent très rapidement. Par exemple, une feuille de papier blanc a un ratio de 100 : 1, un écran informatique de 500 : 1, un capteur de reflex numérique de 1000 : 1. jusque là tout va bien mais si on veut estimer un contraste encore plus grand comme celui d’un téléviseur LCD, par exemple, les chiffres enflent rapidement pour atteindre 10 000/1.
Même si ce chiffre peut paraître impressionnant, ce n’est que le palier suivant après 1000/1. bref l’augmentation rapide des chiffres ne reflète pas la réalité telle qu’on la ressent.

Une échelle logarithmique pour la plage dynamique

Il existe des synonymes du terme plage dynamique qui concernent certains matériels en particulier. Pour les écrans de télévision, on préfère parler de taux de contraste et pour la plage dynamique d’un scanner, on préfère parler de densité. Les imprimeurs et les photograveurs ont rapidement adopté la densité comme unité en remplaçant la progression linéaire des taux de contraste par celle de leur logarithme. Et effectivement ça progresse beaucoup moins vite puisque la progression : 10, 100, 1000, 10 000 et remplacé par le nombre de zéros (logarithme décimal) soit : 1, 2, 3, 4.

Mais une autre échelle encore plus proche de vos véritables sensations visuelles est apparue dans le domaine de la photographie. C’est le système de zones (zones system). Les photographes ont l’habitude de régler l’exposition d’un appareil photo avec une échelle très pratique qui a chaque étape multiplie la luminance par 2. C’est tout simplement l’utilisation du diaphragme ou de la durée d’exposition qui multiplie ou divise par 2 l’éclairement reçu par le capteur. On abandonne ainsi la mesure linéaire de l’éclairement en lux, un peu compliqué, pour la remplacer par une mesure en logarithme de base 2 qu’on appelle l’indice de lumination (IL) ou Exposure Value (EV) en anglais. Les indices de lumination s’expriment généralement sur une échelle qui va de 1 à 20.

Avec cette nouvelle échelle, chaque incrément multiplie la luminance par 2. Le deuxième cran sera donc la valeur 2, le troisième la valeur 4, le quatrième la valeur 8, etc. On peut donc avec cette méthode donner une correspondance de 10 IL à la plage dynamique d’un capteur électronique dont le taux de contraste est 1000:1 car 1024 correspond au dixième rang en progression binaire.

L’œil, une plage dynamique exceptionnelle

Nos yeux ont une plage dynamique d’une très grande étendue très bien adaptée aux changements de luminosité entre l’obscurité d’une pièce et l’éblouissement d’une journée ensoleillée. Grâce à la faculté de dilatation de la pupille, le ration de contraste observable peut monter jusqu’à 16 000 000 : 1 (24 IL). Si on ne tenait compte que du travail conjugué des cônes et des bâtonnets, la plage dynamique atteindrait encore 16 000 : 1 (14 IL).
Cette large plage dynamique correspond à la vision que nous avons du monde réel. Elle devient beaucoup plus étroite lorsque nous observons un téléviseur (5000 :1) ou un écran informatique ( 500 : 1).

Différents types de lumières

Dans la pratique, le photographe pourra rencontrer des difficultés devant une scène trop lumineuse. Lorsque la lumière provient directement du ciel ou des rayons directs du soleil, on parle de lumière incidente. Lorsque la zone la plus claire de l’image provient d’un objet blanc, il s’agit de lumière réfléchie. Dans ce dernier cas la dynamique du capteur peut aussi être saturée.

Fig. 4. L’image de droite sature le capteur bien avant celle de gauche.

Sujet complexe et souvent mal compris, le thème de la plage dynamique fait l’objet de 2 autres articles la plage dynamique du capteur et La plage dynamique d’un fichier numérique

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