L'imagerie à grande gamme dynamique (ou imagerie large-gamme) (high-dynamic-range imaging ou HDRI) regroupe un ensemble de techniques numériques permettant d'obtenir une grande plage dynamique dans une image. Son intérêt est de pouvoir représenter ou de mémoriser de nombreux niveaux d'intensité lumineuse dans une image. Cette technique s'effectue en permettant d'attribuer plus de valeurs à un même pixel. D'abord développée pour les images générées par ordinateur, la technique s'est ensuite adaptée à la photographie numérique.
Origine
Brick au clair de lune, une marine de Gustave Le Gray, 1856-1857.
Dès les années 1850, Gustave le Gray fut le premier photographe à concevoir une image composée avec plusieurs valeurs d'expositions différentes. Cette technique lui permit de contourner les limites des pellicules de l'époque pour réaliser une photographie de paysage marin avec à la fois la mer et le ciel.
Procédé informatique
L'image numérique classique est codée sur 256 valeurs (entre 0 et 255) sur chaque plan rouge, vert et bleu, c'est-à-dire avec 24 bits par pixel (3 × 8 bits). L'écart d'intensité lumineuse entre le pixel le plus lumineux et le pixel le plus faible, non noir, n'est donc que de 255. Or, dans la réalité, il est courant que la dynamique entre les zones les plus lumineuses et les plus sombres d'une scène soit plus grande. Les images HDR utilisent plus de bits par pixel que les images classiques et permettent de stocker une dynamique largement supérieure. La technique la plus courante est de stocker les images avec un nombre flottant par couleur (96 bits par pixel) mais il existe aussi des images HDR avec 32 bits par pixel, comme le format RGBE de Radiance ou le format LogLuv de SGI.
Applications
Photographie numérique
En 2006, les appareils Fuji FinePix S3 Pro (reflex) et Fuji FinePix F700 (compact) étaient les seuls à pouvoir produire des photos à grande gamme dynamique grâce à l'utilisation de photodiodes particulières. Ils ont été rejoints depuis par ceux d'autres constructeurs, par exemple Sony avec son DSLR-A550.
Cependant, l'obtention d'une photographie HDR peut aussi se faire avec un appareil traditionnel en prenant plusieurs photos LDR (low dynamic range) puis en les fusionnant avec un logiciel. Pour ce faire, il faut réaliser plusieurs clichés d'une même scène avec des valeurs d'exposition différentes (fourchette d'exposition), ce qui permet d'obtenir des détails à la fois pour les zones sombres et pour les zones claires. Il existe plusieurs façons de réguler la quantité de lumière capturée par un capteur. On peut jouer sur :
l'ouverture (diaphragme) ;
le temps d’exposition (vitesse d'obturation) ;
la sensibilité ISO.
Augmenter la valeur ISO va avoir comme effet d’augmenter le bruit de la photo, alors que changer l’ouverture du diaphragme va influencer la profondeur de champ. Ce dernier réglage n’est pas recommandé car alors les expositions résultantes ne seront pas identiques.
La meilleure façon pour créer une image large-gamme est donc de jouer sur le temps d’obturation pour faire varier l’exposition.
Pendant les différentes prises de vue, la stabilité de l'appareil doit être maintenue pour obtenir le même cadrage. Ensuite, les photos à faible gamme dynamique peuvent être combinées grâce à un logiciel (comme Photoshop et son module de Fusion HDR, Photomatix, HDR Efex Pro ou Luminance HDR), le plugin « exposure blend » de GIMP pour former une seule photo à grande gamme dynamique (HDR) selon la méthode décrite dans Mélange numérique. Le logiciel Hugin, est spécialisé dans ce type d'assemblage, ainsi que les assemblages de panorama (qui ont très souvent des éclairages différents entre la partie ou se situe le soleil et son opposé).
En photographie, une image HDR n'est pas utilisable à son plein potentiel si elle n'est pas reconvertie dans un format standard affichable (en 24 bits/pixel ou moins par exemple). En revanche, dans la mesure où cette image contient une dynamique très riche, différentes opérations peuvent y être effectuées (comme la correction de la balance des blancs) avec une finesse de réglage bien supérieure. Elle constitue à ce titre un format potentiel d'archivage numérique et surtout pourra être réexploitée lorsque des technologies d'affichage HDR seront disponibles. En attendant, un artifice, le mappage ton local, doit être utilisé pour révéler correctement l'image. Cet algorithme crée, à partir d'une image HDR, une photo où la totalité des éléments sont correctement exposés. Sans aucune surexposition ou sous-exposition, la photo devient ainsi beaucoup plus détaillée à la fois dans les zones sombres et dans les zones claires. Le rendu est souvent très réaliste, notamment pour les paysages nuageux et les environnements nocturnes.
Il est également possible de réaliser ce que l'on appelle le « pseudo HDR » à partir d'une seule prise de vue. Cette technique est intéressante dans la mesure où il n'est pas toujours possible de prendre plusieurs vues bracketées de la même scène (sujet en mouvement notamment). Il est évident que, sans gamme de luminances étendue, l’intérêt de cette technique est limitée. Du moins si on part d'une image en JPEG (8 bits par couleur) mais, en partant d'une image RAW sur 12 ou 14 bits comme peuvent en produire les reflex numériques en particulier, on peut déjà parvenir à des résultats intéressants que l'on ne pourra pas obtenir par les méthodes classiques. Elle est donc à considérer et à tester en fonction de chaque cas particulier.
Un grand nombre d'appareils numériques permet aussi la prise de vue directe en HDR, l'appareil réalisant automatiquement une séquence de prise de vue comportant une ou plusieurs photos prises en rafale et les traitant ensuite pour produire une image HDR dont l'effet peut être ajusté. Toutefois, ce type de prise de vue n'offre pas toutes les qualités de la combinaison de nombreuses prises de vue avec un logiciel spécialisé.
Exemples
Logements étudiants à Dresde (Allemagne).
Six prises de vue avec des expositions différentes (1/40 1/10 1/2 1″ 6″ 25″).
Résultat de l'image précédente après création de l'image HDR puis Mappage tonal.
Intérieur d'une église : mappage ton local d'une image HDR.
Muséum d'histoire naturelle de Montauban : mappage tonal à partir de cinq expositions.
Coucher de soleil : mappage ton local d'une image HDR.
Ruine au sommet du Salbert (près de Belfort) : mappage tonal réaliste d'une image HDR.
New York la nuit : mappage ton local d'une image HDR.
L'Aubette de nuit : moyenne de photos 1/30 1/10 1/4 1/2 2s.
Application en vidéo
L’inventeur Georges Cornuéjols et les licenciés de ses brevets (Brdi, Hymatom) ont introduit le principe de l’image HDR en vidéo, en 1986 en interposant un écran à cristaux liquides matriciel devant le capteur d’image de la caméra1, augmentant ainsi de 5 diaphragmes la dynamique du capteur, puis en février et avril 1990, en combinant deux images prises successivement par un capteur d’images2 ou simultanément3 par deux capteurs d’image de la caméra. Il s'agit donc d'un procédé de bracketing destiné au flux vidéo.
En 1991, Georges Cornuéjols a introduit le principe de l’image HDR+ par accumulation non linéaire d’images pour augmenter la sensibilité de la caméra4 : pour les faibles éclairements, plusieurs images successives sont accumulées, augmentant ainsi le rapport signal/bruit.
Le constructeur Red a ensuite reproduit le principe de l'image HDR en vidéo avec son modèle de caméra : la Red Epic, dont le premier prototype fut présenté au NAB d'avril 2010. Ce mode, appelé HDRx augmente la plage dynamique du capteur de 13,5 à 18 diaphragmes en interpolant des images exposées à des valeurs différentes. Fin 2011, l'open platform (en) Magic Lantern a emboîté le pas en réalisant un firmware destiné à certains reflex Canon et en y incluant une option HDR basée sur le même principe. Le recours à de grandes dynamiques n'est toutefois pas une première dans l'histoire de l'image animée puisque les militaires utilisaient déjà la méthode du bracketing au milieu du XXe siècle pour filmer des explosions atomiques avec le cinématographe.
Images générées par ordinateur
Les images HDR d'environnement servent dans le domaine du graphisme comme alternative à un éclairage artificiel. Elle permettent de recréer les couleurs et lumières de la photographie dans la scène 3D, chaque pixel de l'image HDR servant de source de lumière. Elles sont aussi utiles pour générer des reflets sur des matériaux brillants comme le chrome ou l'or.
Dans ces cas d'utilisations, des images classiques (sans grande gamme dynamique) empêcheraient de rendre compte simultanément des sources de lumières très puissantes et des subtils reflets dans les zones peu éclairées.
Les images en HDR sont également utilisées comme textures de displacement. Elles sont ainsi générées par des logiciels de sculpture 3D comme Zbrush, Mudbox, Modo ou 3D Coat, et contiennent des informations permettant de rajouter visuellement, au moment du rendu, des détails sur un modèle 3D. Il en existe deux sortes :
Des textures de displacement standard, qui peuvent pousser la surface d'un modèle dans un sens ou dans l'autre, en positif ou en négatif ;
Des textures de vector displacement qui, au lieu de définir une simple distance de déplacement de la surface, définissent également une direction.
Ces images peuvent avoir des intensités négatives.
Jeux vidéo
Les jeux vidéo récents font usage d'images HDR afin d'augmenter l'immersion du joueur dans l'environnement ludique. Ceci est généralement réalisé en temps réel par l'emploi des techniques de RTT (render-to-texture), des floating-point buffers (pour conserver la gamme dynamique du HDR), et des shaders. Ces derniers permettent une flexibilité accrue dans le traitement de l'image en cours de construction (par exemple en passant des valeurs non tronquées (clamping) entre le vertex et le fragment shader). Les fragment shaders permettent aussi d'appliquer un flou gaussien sur l'image HDR (blooming), un effet très utilisé dans les jeux récents.
Pour le mappage ton local, la luminance générale de l'image est généralement calculée en réduisant la texture full-scene à une taille de 1 × 1 pixel.
Notes et références
↑ « Matrix-configured electronic controller of exposure parameters for a moving-picture camera » [archive], sur espacenet.com
↑ « Camera with double image acquisition producing images with very high dynamic range » [archive], sur espacenet.com
↑ « Camera with very wide dynamic range » [archive], sur espacenet.com
↑ « Device for increasing the dynamic range of a camera » [archive], sur espacenet.com
Bibliographie
Pierre-Henry Muller (préf. Benoît Marchal), Photographie HDR : Dépassez les limites de la photo, Dunod, 2011, 2e éd., 207 p. (ISBN 978-2-10-055108-
David Nightingale, HDR Extrêmes, Pearson, 2010, 160 p. (ISBN 978-2744093395)
Michael Freeman, HDR Vers la maîtrise des contrastes extrêmes, Pearson, 2008, 160 p. (ISBN 978-2744092145)
Liens externes
Sur les autres projets Wikimedia :
Imagerie à grande gamme dynamique, sur Wikimedia Commons
Présentation et tutoriel complet sur la photographie HDR [archive]
Apprendre la photo HDR [archive]
High Dynamic Range [archive]
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