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La correction gamma a été inventée pour corriger à l'émetteur les défauts des premiers tubes cathodiques. Et puis on s'est rendu compte que la correction gamma, c'était quand même bien pratique.

Ecrans de télévision

Le terme de gamma est apparu avec la télévision. Supposons un écran monochrome qui fournit une image noire (0% de lumière) avec 0V sur l'électrode de commande et une image blanche (100% de lumière) avec une tension de 1V. Si nous appliquons une tension de 0.5V nous n'avons pas une image grise moyenne (50% de lumière), mais une image très foncée (20% de lumière).

La raison est que le tube cathodique n'a pas un rendu linéaire de la lumière, son gamma est de 2.5 environ. Mais au lieu d'effectuer la correction dans le téléviseur même (ce qui à l'époque aurait nécessité un circuit complexe dans chaque téléviseur), on a préféré faire la correction unique dans l'émetteur. Le signal émis reçoit ainsi une correction à priori pour corriger le fonctionnement non-linéaire du tube de télévision.

La première image à droite montre la correction appliquée à l'émetteur: les ombres sont "dilatées" tandis que les hautes lumières sont compressées. Le tube de télévision, par son manque de linéarité effectue l'opération inverse.

Et puis on s'est rendu compte que cette correction à la source avait d'autres avantages. En effet le signal de télévision "corrigé" est plus adapté à la transmission et au mixage (incrustation de titres ou mélange d'images). Quand on augmente le signal de 0.1V, on a le même effet sur une image gris foncé que gris clair. Quand on mélange deux images (fondu enchainé ou effets spéciaux), le résultat est plus naturel quand on travaille avec un signal corrigé.

Et c'est ainsi que le signal corrigé est devenu la norme. L'encodage d'images au format JPEG (transformation du signal numérique RAW) utilise aussi une transformation non-linéaire. Et bien qu'on n'utilise plus d'écrans cathodiques, l'encodage non-linéaire est resté.

Pourquoi?

Nos yeux n'ont pas une sensibilité linéaire. Allumez une lampe led de 1W dans une pièce sombre et vous voyez toute la pièce éclairée. Allumez la même lampe led dans une pièce éclairée par le soleil et vous ne verrez même pas qu'elle fonctionne. Tous les autres articles parlent d'allumer une bougie, mais nous ne sommes plus en 1850, et en plus une bougie cela peut créer un incendie.

La non-linéarité de notre vision nous permet d'avoir une dynamique plus élevée: nous pouvons discerner à la fois des objets sombres et clairs dans une même scène. La sensibilité de nos yeux suit une courbe logaritmique. La pellicule (photographie argentique) a une courbe de sensibilité identique et a donc une dynamique étendue.

Les capteurs photographiques ont une réponse linéaire (on dit qu'ils on une fonction de transfert orthophotique): quand l'éclairage augmente linéairement, le signal en sortie augmente également linéairement. Si on veut pouvoir reproduire des basses intensités avec une précision suffisante, il faut avoir un gain élevé, avec comme résultat un signal de sortie très élevé (et qui dépasse peut-être la limite du système) quand l'intensité est élevée. Un capteur avec convertisseur analogique-numérique qui a une résolution de 12 bits ou plus est nécessaire pour reproduire tous les tons d'une image.

Pour faire tenir cette image de 12 bits dans un fichier JPEG qui n'a qu'une résolution de 8 bits par canal, on va imiter la courbe de l'émulsion photographique et comprimer sélectivement les tons. C'est la fonction de transfert. Cela réussit très bien, car les tons très foncés contiennent surtout du bruit de fond qu'on élimine en réduisant le nombre de bits attribués aux ombres. Les tons moyens sont rendus normalement et les tons clairs sont également compressés.

Gamma

Le gamma est donc le facteur de conversion entre un signal en entrée et un signal en sortie.
Us = Ueg
Us: signal de sortie
Ue: signal d'entrée
g: gamma

Le gamma utilisé au débuts de la télévision était de 0.4 (pour compenser le rendu non linéaire des tubes cathodiques). Le gamma est passé à 0.45 quand on est passé à la couleur. Le signal transmis à l'antenne est Y'UV (Y' indique la luminance corrigée qu'on appelle luma et UV la composante couleur PAL).

Le gamma d'un négatif est également inférieur à l'unité, dans ce cas ci cela permet ici une plus grande latitude de pose: il est possible de corriger une photo sur- ou sous-exposée. Le gamma est normalement de 0.5, mais cela dépend du type de négatif, du type de développement, etc. Le négatif pour le tirage a lui un gamma supérieur à l'unité pour normaliser l!image.

Nous avons donc un gamma inférieur à l'unité lors de l'enregistrement photographique (émulsion sensible ou format JPEG) et une correction inverse à la reproduction sur écran.

En photographie numérique, le fichier JPEG utilise un gamma de 0.45 qui permet d'attribuer un nombre de bits qui correspond à la sensation lumineuse. Quand on augmente le signal d'une valeur de 10 (par exemple niveau de gris de 45 à 55), l'effet visuel est identique à une augmentation de niveau de 205 à 215 (voir seconde image), pour autant qu'il n'y ait pas d'écrétage (moniteur incapable de reproduire ces nuances).

L'encodage (au format JPEG ou autre)
enregistre les tons gris plus clairs et

le décodage reproduit les tons gris plus foncés
pour corriger le gamma introduit lors de l'encodage.

Charte grise 18%

C'est ainsi que la charte grise qui nous semble parfaitement "moyenne" est appellée "charte 18%": elle réfléchit non pas 50% de la lumière, mais 18% de la lumière. C'est comme si elle était composée de 18% de pigments parfaitement blancs et 82% de pigments parfaitement noirs.

Ecrans

Les écrans LCD nécessitent normalement un gamma de 2.2 et les écrans OLED de 1.8. Je dis normalement, car ce n'est pas une valeur qui est fournie par les fabricants. Chaque fabricant utilise une valeur propre. Souvent les fabricants préfèrent utiliser une valeur de gamma propre qui donne une image plus claire. Dans un magasin, l'écran qui nécessite un gamma plus élevé (donc correction plus importante) a une image plus claire et les gens sont tentés d'acheter cet écran à la place d'un écran qui donne une image plus foncée (mais peut-être plus correcte).

Vous pouvez adapter la valeur de gamma selon vos désirs. Vous disposez au minimum de deux possibilités: un écran de type windows (le type classique) avec une correction de 2.2 et un écran de type Apple avec un gamma de 1.8.

Quel est le résultat si vous introduisez une valeur de gamma plus basse? Vous n'allez pas modifier le fonctionnement du moniteur, il reste identique. L'image JPEG elle ne change pas non plus, elle est également corrigée à l'encodage avec un gamma de 0.45.

Par contre la correction à la reproduction de 1.8 au lieu de 2.2 est moins prononcée. Les tons moyens sont sont donc rendus moins foncés (moindre correction). L'image semble plus claire mais également plus délavée.

Avec une correction trop faible, les tons clairs risquent d'être cramés à l'écran. Un ton très clair ne peut plus être différencié d'un ton blanc: l'information est présente dans le fichier (le gamma en sortie ne modifie pas le fichier, uniquement la représentation à l'écran), mais ne peut pas être reproduite par l'écran.

Pour déterminer si votre écran peut reproduire aussi bien les tons clairs que les tons foncés, consultez la page de calibrage de l'écran.

Pourquoi ne pas éliminer tout simplement la correction gamma?
Si on utilise encore la correction gamma, c'est qu'elle a des avantages certains: elle "colle" mieux à la réalité, qui n'est pas linéaire. Les processus chimiques ne sont pas linéaires (la vue, les émulsions photographiques).

La correction gamma permet également d'attribuer le même poids (nombre de pas) aux ombres et aux hautes lumières selon notre perception. Ainsi nous ne gaspillons pas de bits pour des détails que nos yeux ne peuvent pas discerner.

Correction gamma

Courbe de correction gamma de 0.45 utilisée à l'enregistrement. Les tons foncés sont étendus tandis que les tons clairs sont comprimés.


Si votre écran est réglé correctement, la différence de contraste de l'élément central dans la zone claire doit être identique à la différence de contraste dans la partie sombre. Le centre clair doit être tout aussi visible en foncé qu'en clair.


Courbe de correction gamma de 2.2 à la reproduction qui va rendre un ton gris plus foncé et donc comprimer les ombres. Cette correction compense l'extension des ombres à l'enregistrement.

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