Déc 29 2008

Eléments techniques sur la sensibilité et dynamique

Détails: Écrit par Omer Ekmescic

L'œil est un formidable outil qui permet à notre cerveau de percevoir notre environnement.

Le fond de notre œil est tapissé de millions de cellules nerveuses qui transforment les photons en impulsions électriques. Les cônes, moins nombreux, captent les couleurs. Certains captent le vert, d'autres le bleu, les derniers le rouge. Puis les bâtonnets, plus nombreux, très sensibles, ne captent que la luminosité. C'est pour cela que par faible luminosité, nous décelons mal les couleurs. Notre cerveau interprète quasi instantanément ces signaux et les convertit en image.

Notre œil possède un iris qui s'ouvre et se ferme pour s'adapter aux conditions de luminosité.

Nos appareils photo numériques fonctionnent sur le même principe, mais en beaucoup plus simple.

Nous sommes capables de distinguer environ 200 à 250 niveaux d'une couche de couleur dans des conditions normales d'éclairage, soit donc 200 niveaux de magenta, 200 niveaux de jaune ou de cyan, qui sont les couleurs primaires à partir desquelles on forme toutes les autres. Rouge, vert et bleu sont les couleurs complémentaires ou négatives.

Sur nos images numériques, les couleurs sont codées sur 256 niveaux pour le jpeg. On retrouve les capacités de l'œil, à la luminosité près.

L'iris est symbolisé par le diaphragme de l'objectif. Il laisse passer plus de lumière s'il est grand ouvert, et moins de lumière quand on le ferme. La quantité de lumière, donc le temps d'exposition, sera également fonction de la sensibilité du récepteur (iso en photographie).

Pour schématiser, on peut imaginer une foule (la quantité de lumière) à faire rentrer dans une pièce. Plus la porte est grande, moins il faut de temps pour que tout le monde entre.

Cet ensemble quantité de lumière/sensibilité est quantifié par l'indice de lumination, ou IL (EV pour les anglophones). Un nombre d'IL donne l'information sur la luminosité d'une scène. Par convention, 0IL = 1s de pose à f1 pour 100 iso, f étant la valeur de l'ouverture que vous retrouvez sur les objectifs. C'est en gros une scène illuminée en ciel découvert un soir de pleine lune.

En été en plein jour, on sera à environ 18IL.

Contrairement au temps d'exposition, f n'est pas linéaire. Les valeurs entières standard sont :

f 1 / 1,4 / 2 / 2,8 / 4 / 5,6 / 8 / 11 / 16 / 22 / 32

Si l'on diminue d'un cran l'ouverture et augmente d'un cran la vitesse (donc si on la double), on obtient la même valeur d'IL : 0IL = 1s à f1, 2s à f1,4 ou 4s à f2 etc.

La vitesse et l'ouverture ayant des effets différents sur l'image (filé, profondeur de champ), c'est au photographe de choisir la combinaison adéquate, aidé si besoin par les semi-automatismes du boîtier.

On obtient le tableau suivant, qui donne la vitesse en fonction de l'ouverture et de l'IL :

IL/f	1	1,4	2	2,8	4	5,6	8	11	16	22
-6	60	120	240	480	960	1920	3840	7680	15360	30720
-5	30	60	120	240	480	960	1920	3840	7680	15360
-4	15	30	60	120	240	480	960	1920	3840	7680
-3	8	15	30	60	120	240	480	960	1920	3840
-2	4	8	15	30	60	120	240	480	960	1920
-1	2	4	8	15	30	60	120	240	480	960
0	1	2	4	8	15	30	60	120	240	480
1	1/2	1	2	4	8	15	30	60	120	240
2	1/4	1/2	1	2	4	8	15	30	60	120
3	1/8	1/4	1/2	1	2	4	8	15	30	60
4	1/15	1/8	1/4	1/2	1	2	4	8	15	30
5	1/30	1/15	1/8	1/4	1/2	1	2	4	8	15
6	1/60	1/30	1/15	1/8	1/4	1/2	1	2	4	8
7	1/125	1/60	1/30	1/15	1/8	1/4	1/2	1	2	4
8	1/250	1/125	1/60	1/30	1/15	1/8	1/4	1/2	1	2
9	1/500	1/250	1/125	1/60	1/30	1/15	1/8	1/4	1/2	1
10	1/1000	1/500	1/250	1/125	1/60	1/30	1/15	1/8	1/4	1/2
11	1/2000	1/1000	1/500	1/250	1/125	1/60	1/30	1/15	1/8	1/4
12	1/4000	1/2000	1/1000	1/500	1/250	1/125	1/60	1/30	1/15	1/8
13	1/8000	1/4000	1/2000	1/1000	1/500	1/250	1/125	1/60	1/30	1/15
14		1/8000	1/4000	1/2000	1/1000	1/500	1/250	1/125	1/60	1/30
15			1/8000	1/4000	1/2000	1/1000	1/500	1/250	1/125	1/60
16				1/8000	1/4000	1/2000	1/1000	1/500	1/250	1/125
17					1/8000	1/4000	1/2000	1/1000	1/500	1/250
18						1/8000	1/4000	1/2000	1/1000	1/500
19							1/8000	1/4000	1/2000	1/1000
20								1/8000	1/4000	1/2000

On peut en tirer un tableau des équivalences des IL pour un même réglage vitesse / diaphragme par rapport à 100 iso.

iso 100	iso 200	iso 400	iso 800	iso 1600	iso 3200	iso 6400	iso 12800	iso 25600
-6	-7	-8	-9	-10	-11	-12	-13	-14
-5	-6	-7	-8	-9	-10	-11	-12	-13
-4	-5	-6	-7	-8	-9	-10	-11	-12
-3	-4	-5	-6	-7	-8	-9	-10	-11
-2	-3	-4	-5	-6	-7	-8	-9	-10
-1	-2	-3	-4	-5	-6	-7	-8	-9
0	-1	-2	-3	-4	-5	-6	-7	-8
1	0	-1	-2	-3	-4	-5	-6	-7
2	1	0	-1	-2	-3	-4	-5	-6
3	2	1	0	-1	-2	-3	-4	-5
4	3	2	1	0	-1	-2	-3	-4
5	4	3	2	1	0	-1	-2	-3
6	5	4	3	2	1	0	-1	-2
7	6	5	4	3	2	1	0	-1
8	7	6	5	4	3	2	1	0
9	8	7	6	5	4	3	2	1
10	9	8	7	6	5	4	3	2
11	10	9	8	7	6	5	4	3
12	11	10	9	8	7	6	5	4
13	12	11	10	9	8	7	6	5
14	13	12	11	10	9	8	7	6
15	14	13	12	11	10	9	8	7
16	15	14	13	12	11	10	9	8
17	16	15	14	13	12	11	10	9
18	17	16	15	14	13	12	11	10
19	18	17	16	15	14	13	12	11
20	19	18	17	16	15	14	13	12

Par exemple, si on a à 100 iso un couple vitesse/diaphragme de 1/30s à f 2,8, soit IL8, on aura pour une sensibilité de 6400 iso un couple vitesse/diaphragme de 1/2000s à f 2,8 (les réglages à IL8 à 6400 sont équivalents à IL14 à 100 iso).

Quelques images pour illustrer tous ces chiffres, et pour éclaircir les idées :

Un ciel nuageux hivernal, c’est à peu près IL15 :

Une galerie non illuminée, c’est IL6 :

Une pièce de théâtre, IL3 :

Vous pouvez ainsi vous faire une idée de vos besoins, et le cas échéant adapter votre matériel à l'usage auquel vous le destinez.
Pour information, les images à 1600 iso issues de l'Alpha 100 sont parfaitement utilisables, directement pour un format 13x18, et avec un petit post-traitement à partir du A4. Il faut relativiser certains tests sur le web ou dans les magazines qui prétendent l’A100 inexploitable au-delà de 400 iso. Il faut juste faire attention d’avoir une bonne exposition, et si on shoote en raw on peut encore gagner un bon 1/2 IL côté bruit.

La sensibilité d'un capteur numérique étant fixe, contrairement à l'œil humain, on doit modifier les données d'entrée : temps d'exposition et diaphragme. Par des procédés logiciels et électroniques, on simule différents isos sur un capteur, mais cela se fait au détriment d'autres paramètres (bruit, microcontraste, saturation des couleurs) et l'image optimale en qualité n'est réalisée qu'à la sensibilité native du capteur. Elle est ainsi de 100 iso pour les A100, A200, A300 et A350 et 200 iso pour l' A700 et l'A900.

On parle d'échantillonnage, ou plutôt de quantification pour la restitution de nos capteurs. Pour restituer tous les détails, il faut doubler la quantité d'information pour chaque IL "gagné". On part du mini, soit 2 valeurs, pour coder sur 1 bit (ou 2ˆ1) pour 1 IL. On double pour 2 IL, soit 2ˆ2 valeurs, ou 2 bits, et ainsi de suite.

Les capteurs grand public actuels sont capables de restituer environ 12 IL. En théorie, on n'a pas besoin de quantifier le signal sur plus de 12 bits.

Certains font un panégyrique de la quantification sur 14 bits. En théorie c'est mieux, en pratique cela n'a jamais été montré, et les contre-exemples sont même nombreux. L'Alpha 900 est ainsi une des références actuelles côté dynamique alors qu'il ne travaille qu'en 12 bits.

Si l'on considère que le premier bit (voire le deuxième) est anecdotique, on exploite au mieux 10 ou 11 IL, soit 2 à 3 IL de plus qu'un jpeg. Cela sert à rehausser les ombres et redonner des détails aux hautes lumières, un peu comme savent le faire l'œil ou les négatifs argentiques.

La photographie numérique a atteint un niveau de qualité exceptionnel dans tous les domaines et les boîtiers actuels peuvent réellement être considérés comme matures. Ne vous sentez donc pas dépassés par les incessantes évolutions techniques : si votre appareil fait de belles photos aujourd'hui, ce sera toujours le cas dans 5 ans...

Et puis il nous reste l'Œil, la composition, voire le génie qui nous rendent dans tous les cas indispensables face à cette profusion technologique.