Photographie » Technique » Physique » Courbe de transfert

La courbe de tranfert est la fonction mathématique qui transforme l'illumination d'un photosite en signal numérique.

A droite, nous avons deux fonctions de transfert qui indiquent pour un niveau d'illumination donné le résultat (le noircissement de l'émulsion du négatif ou l'amplitude du signal électrique).

Film négatif

Les films négatifs sont les plus utilisés. Nous décrivons les négatifs monochromes. La densité du négatif indique combient celui-ci absorbe la lumière, on obtient une échelle appellée "D". En pratique, seul le niveau b est utilisé. Il correspond à une partie du négatif développé mais non-exposé (espace entre deux prises).

Aux faibles intensités lumineuses, le film ne réagit pas. Après développement on ne voit pas la différence entre du film non-exposé.

Le début de la courbe utile commence quand la densité est de 0.1D supérieure à la densité du voile b (cette valeur est d'ailleurs utilisée pour déterminer la sensibilité du film). Il faut une illumination minimale pour produire une modification de l'émulsion, c'est pour cela que les photographes utilisent l'expression “expose for shadows, process for highlights” (vous traduirez bien vous même...): il faut régler l'exposition sur les parties foncées de la photo. Il est possible de corriger les hautes lumières au développement.

La courbe a une partie relativement linéaire au milieu. La pente de la courbe dépend du développement, il est ainsi possible de pousser le développement (la pente sera plus raide). Un développement plus poussé augmente donc surtout le contraste. Maintenant qu'on ne travaille plus avec des plans-films développés individuellement, on ratrappe au tirage.

Quand on pousse le développement, on augmente également le voile, ce qui fait qu'il n'est pas possible de faire apparaitre des détails dans les ombres bouchées. Ils sont à jamais noyés dans le voile, qui correspond au "bruit de fond" de la pellicule.

Aux fortes expositions, il faut de plus en plus de lumière pour provoqer un noircissement accru: c'est un des grands avantages du négatif. Une molécule d'argent activée ne peut pas être activée une seconde fois: quand le pourcentage de molécules activées augmente, il y a moins de molécules sensibles qui restent, ce qui réduit la sensibilité locale de l'émulsion. Le négatif permet d'enregistrer une large gamme de tons: sa dynamique est naturellement étendue.

Capteur

Le capteur a une courbe de réponse pratiquement linéaire (courbe orthophotique). On pourrait dire que chaque photon qui frappe la photodiode libère un électron. Pour les faibles intensités lumineuses, le signal électrique produit est noyé dans le bruit de fond. Ce signal est donc inutilisable. Aux fortes intensités lumineuses, il y a brusquement saturation. Cela est aussi bien causé par la limitation de la capacité du photosite (full well capacity) que par la limite du convertisseur analogique-numérique.

Le résultat est une tension électrique, par exemple de 0 à 255mV, voyez la seconde "courbe" à droite. En pratique, on n'aura jamais 0mV, puisqu'ici aussi on a un bruit de fond minimal (voir exemple à droite).

Convertisseur A/D
#bits#niveaux
12
24
416
8256
101024
124096
1416384
1665536
La transformation du signal électrique en signal numérique est également linéaire.

Le premier tableau à gauche nous montre la transformation d'une intensité lumineuse en bits. Nous utilisons un convertisseur AD qui a 3 bits de résolution, donc 8 niveaux (ou pas) définis. Un pixel qui reçoit 21 lux produit le même signal numérique qu'un pixel qui reçoit 29 lux. Il y a une isohélie ou banding (zones délimitées et bien visibles où l'intensité lumineuse est identique).

Sur le tableau à gauche, nous comparons le nombre de bits du capteur et le nombre de pas disponibles.

Si notre convertisseur a 1 bit, nous avons 2 niveaux de sortie (0 ou 1).

Si notre convertisseur a 2 bits, nous avons 4 niveaux de sortie (00, 01, 10 et 11).

Si notre convertisseur a 3 bits, nous avons 8 niveaux de sortie comme l'exemple ci-dessus à gauche.

Les convertisseurs des APN bon marché travaillent en 8 bits et ont 256 niveaux de sortie: 0000 0000, 0000 0001, 0000 0010,... jusqu'à 1111 1111

Les convertisseurs A/D des appareils haut de gamme travaillent actuellement en 14 bits.

Il serait faux de croire qu'un nombre de bits plus importants indique une dynamique plus élevée, c'est une erreur que les photographes qui travaillent en mode RAW font trop souvent. Le nombre de bits indique simplement le nombre de paliers disponibles. La dynamique du capteur est déterminée par le niveau du bruit de fond et par le signal maximal que le capteur peut fournir. La dynamique d'un bon capteur est de 10EV.

Nous avons maintenant notre signal numérique 14 bits. Que va-t-on en faire? On peut le stocker tel quel (c'est le format RAW) ou le transformer en format JPEG. Pour la transformation au format JPEG (le seul visualisable sur tous les ordinateurs) on va utiliser une fonction de transfert non-linéaire qui correspond fortement à la courbe de réponse de la pellicule.

Fonction de transfert

La représentation ci-dessus donne la dynamique d'un reflex digital moyen (Canon 50D). L'appareil photo a une dynamique qui s'étend de -4.5EV jusqu'à +4.5EV, donc une plage de 9EV. La transformation de l'intensité lumineuse (un signal électrique fourni par le photosite) en valeurs numériques (pour stockage sous forme d'un fichier jpeg) n'est pas linéaire: une courbe de tranfert est utilisée. Plusieurs raisons expliquent la courbe de transfert non-linéaire:

Un ton "gris moyen" (la zone V du système de Ansel Adams ou une carte 18%) doit produire un signal numérique de 114 à 124 (si ce n'est pas le cas, c'est que l'appareil photo est déréglé). Le léger décalage vers les basses valeurs permet de réserver plus de paliers numériques pour les tons clairs.

Et c'est ainsi qu'il est possible de réduire une image (capteur de 9EV) pour qu'elle "passe" par le format JPEG (8 bits = 8EV). Cette compression est comparable à celle auquel le signal d'un CD est soumis pour pouvoir passer en FM.

Enregistrement RAW et développement

Chassez la courbe, et elle revient au galop! L'enregistrement RAW, s'il permet de stocker tous les bits que produit le convertisseur, n'est compatible avec rien. Votre écran, votre imprimante, votre site web, tous travaillent en 8 bits. Il faudra donc réduire le nombre de pas disponibles avec un programme adapté comme Lightroom. Cela peut se faire linéairement, alors vous obtenez des photos phades, ternes, manquant de contraste,... Chaque application a des courbes pré-établies qui imitent la courbe de transfert du capteur. Cette transformation d'une image brute en image universelle s'appelle (par analogie avec le monde argentique) le développement.

Courbe de transfert


La courbe de transfert d'un film argentique (négatif)

La ligne verte est la latitude de pose. On cherchera une exposition telle que les parties peu exposées dépassent juste du voile (“expose for shadows”). Même si la scène photographiée est peu contrastée, on choisira de préférence une exposition minimale, quitte à n'utiliser qu'un tiers de la pente (trait rose).

Le tirage d'une photo est meilleur quand le négatif est exposé au dessus du seuil (ou pied) au lieu de juste en dessous de l'épaule (trait rouge): il y a moins de diffusion de la lumière et la photo est plus nette. C'est tout le contraire avec les appareils numériques.

Sensibilité ISO de la pellicule

La sensibilité de la pellicule est déterminée par la pente de la courbe à partir de +0.1D au dessus du voile de l'émulsion (niveau "b")

On utilise le développement standard prescrit par le fabricant, puisque la pente dépend du développement.


La courbe de réponse d'un capteur
Attention, le résultat est en mV, pas en bits!
Lors de la numérisation, on va utiliser
une fonction de transfert non-linéaire.

Sensibilité ISO d'un capteur

Ici aussi il y a des normes pour déterminer la sensibilité d’un capteur. Ces normes sont tout aussi élastiques qu’en photographie argentique. Une valeur ISO détermine une combinaison temps de pose et diaphragme selon l’exposition. Quand on photographie un objet gris moyen (le fameux 18% de la carte grise) il faut que le capteur produise un signal de 114 à 124 (sur notre échelle qui va de 0 à 255). C’est la méthode de mesure la plus courante, mais il y en a d’autres.

On peut obtenir une meilleure résolution dynamique (plus de pas, donc finesse accrue dans les dégradés) en utilisant le format RAW au lieu de stocker en JPEG, mais le vrai problème est l'étendue dynamique plus ou moins limitée des capteurs.

La courbe reproduite ici est la courbe avec appareil vierge, dont on n'a pas modifié les paramètres. Il est par exemple possible d'aumenter ou de réduire le contraste de l'appareil (en fait, on modifie la courbe de transfert, pas les paramètres du capteur).

L'article sur les corrections sur l'image (highlight priority et auto lighting optimizer) a été déplacé vers cette page.

Lisez aussi l'article consacré à la différence entre la pellicule et le numérique.

Et puis finalement, la fonction de transfert numérique ressemble furieusement à la courbe de sensibilité d'une émulsion photographique. Ce qui s'effectue de façon naturelle dans les émulsions doit être recalculé dans un système d'imagerie numérique pour correspondre à une image naturelle agréable à regarder...

Ne me dites pas qu'on a rien inventé ces 150 dernières années...

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