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Quelle est la plage dynamique d’une photo numérique ?

vendredi 7 novembre 2008

Aussi étrange que cela puisse paraître, le fichier numérique d’une image ne possède pas de plage dynamique à proprement parler. Par contre, il dispose d’une plage tonale et d’une distribution tonale bien réelle directement héritée de la plage dynamique du capteur électronique qui l’a conçu.

Sujet complexe, la plage dynamique fait aussi l’objet de 2 autres articles : La plage dynamique en photographie et La plage dynamique du capteur

La problématique de la plage dynamique très souvent mal comprise ressemble étroitement à celle de la résolution d’un fichier numérique. Revenons un instant sur cette notion de résolution d’une image numérique. Le capteur utilise une résolution bien réelle en s’appuyant sur la taille et le nombre de ses photosites pour ensuite générer une image qui une fois numérisée perd cette référence analogique à la résolution. En d’autres termes, les pixels, une fois numérisés, n’ont pas de taille déterminée. La résolution des pixels apparaîtra à nouveau que si l’image est affichée sur un écran ou imprimée sur du papier, ce qui donnera une taille physique à l’image affichée et donc nécessairement une taille aux pixels.

Fig. 1. Le capteur enregistre bien une plage dynamique mesurable, mais après la conversion en numérique, il ne reste plus aucune trace de cette plage dynamique.

Il en va de même pour la plage dynamique qui n’existe pas en tant que telle dans le fichier numérique. La plage dynamique n’apparaît que si l’image est affichée sur un écran ou imprimée sur une feuille de papier et c’est donc le support utilisé qui va déterminer une plage dynamique.

Dans le fichier numérique, la valeur en luminance du blanc et du noir est indéterminée et n’apparaît pas dans les données numériques du fichier-image. Mais une fois imprimée l’image va prendre un taux de contraste par exemple de 100 : 1 car il est alors possible de mesurer la plage dynamique à l’aide d’instruments. Sur un autre support la même image va s’exprimer dans une tout autre plage dynamique, par exemple sur un écran LCD la plage dynamique sera de 500 : 1, et sur un autre écran la plage dynamique sera de 2000 : 1, etc. Bref, la plage dynamique est définie uniquement par le support qui présente l’image.

La plage tonale

FiG.2. Si on ne trouve plus la présence de la plage dynamique dans le fichier numérique, on y retrouve la répartition de la plage tonale visible dans l’histogramme.

Pour expliquer cette situation le plus simple serait de parler de plage dynamique absolue lorsqu’il est possible de mesurer la luminance et de parler de plage dynamique relative lorsque la valeur du blanc est un simple 100 % auquel il n’est pas possible d’attribuer une valeur de luminance. Pour éviter cette ambiguïté, on préfère parler de plage tonale de l’image numérique. La plage tonale correspond au pourcentage de plage utilisée par rapport à la plage tonale maximum.

La limitation par la résolution tonale ou profondeur de couleur

Alors que la plage dynamique décrit le niveau de luminance des 2 valeurs extrêmes que sont le noir et le blanc, la résolution tonale (ou profondeur de couleur ou encore résolution d’encodage) décrit le nombre de niveaux intermédiaires qu’on place entre ces deux valeurs extrêmes. Plus le nombre de niveaux est élevé, plus les couleurs seront définies avec précision. La résolution tonale n’est donc pas un critère en relation directe avec la plage dynamique. Cela dit, elle peut devenir un facteur limitant si le codage est trop pauvre pour restituer toutes les données d’origine.

Si le capteur est capable de séparer un certain nombre de niveaux de luminosité dans la scène, il est bien évident que la résolution tonale dont dispose le convertisseur analogique/numérique ne doit pas faire perdre certains de ces niveaux, car alors la plage dynamique du capteur sera amputée de ces niveaux manquants. Si par exemple, le capteur propose 6500 niveaux identifiables et qu’ensuite le convertisseur limité à 12 bits ne propose de restituer que 4096 niveaux, il est clair que la perte d’information dans les derniers niveaux proche du noir réduira la plage dynamique. La résolution tonale si elle est trop basse peut jouer le rôle de facteur limitant, d’un autre côté si la résolution tonale est excessive, elle n’augmentera pas la plage dynamique.

La limitation par la courbe de transfert

Le deuxième élément qui peut amputer la plage tonale de quelques niveaux est le passage obligé par un traitement qu’on appelle "courbe de transfert" (c’est à dire la conversion pour l’attribution d’une courbe gamma standard lorsqu’on passe de RAW à JPEG (ou Tiff).

L’écrasement des niveaux par la courbe est tel que si la conversion se fait sous seulement 8 bits par exemple, il ne restera plus que 192 niveaux en sortie sur les 256 d’origine. Mais heureusement, c’est uniquement la disparition des niveaux tout proches du noir qui vont émietter la plage tonale. La grande majorité des appareils photo travaillent en 12 bits. Avec ce codage les effets de la conversion deviennent beaucoup moins sensibles. Les appareils photo haut de gamme qui utilisent 16 bits éliminent presque complètement ce problème.

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