Les appareils photo numériques modernes intègrent des capteurs dont la dynamique est de plus en plus élevée. Pour beaucoup, cette donnée est un peu mystérieuse au mieux, et juste une valeur dans un tableau de spécifications au pire. Pourtant, au-delà de la définition des capteurs, les constructeurs rivalisent désormais d'ingéniosité pour proposer des capteurs de plus en plus performants avec une excellente gestion du bruit électronique et une dynamique étendue.

La dynamique est en effet une des valeurs primordiales en photo numérique. Bien plus importante à nos yeux que la définition du capteur ou que d'autres données.

Mais alors, de quoi parle-t-on ? On pourrait simplifier à l'extrême en se contentant de dire que la dynamique c'est tout simplement le ratio entre l'intensité lumineuse maximale et minimale que l'on peut enregistrer. 
En quoi est-ce important en photo ? Tout bonnement parce que dans un environnement naturel il existe de très grandes amplitudes lumineuses entre les éléments d'une scène. Un bon capteur saura enregistrer de l'information dans toutes les zones de l'image, sombres ou claires. Un mauvais capteur n'enregistrera aucune information dans les zones trop sombres et/ou trop claires.

Dynamique en dB, en EV... pas toujours simple de s'y retrouver

La dynamique est exprimée soit en ratio de contraste (10 000:1 par exemple), soit en dB, soit en EV (ou stops, ou IL en français). Les plus fréquents étant les dB et les EV. Chacun ses petites habitudes : les industriels expriment souvent la dynamique de leurs capteurs en dB, en photo on trouve plus couramment les valeurs exprimées en EV (ou stops, ou diaph), etc. Mais il est assez simple de passer d'une valeur à l'autre. Pour passer d'une valeur en dB à une valeur en stops (EV), on divise habituellement par 6. Une dynamique de 66 dB devient alors mesurée à 11 EV, ou 11 stops.

En termes clairs, au quotidien, ça donne quoi ?

Une vidéo publiée par Aptina illustre clairement le problème lié à la plage dynamique. Très instructive, elle détaille l'intensité lumineuse de plusieurs points de scènes "réelles". Par exemple, une voiture sort d'un garage. Le garage est sombre, l'extérieur noyé de lumière. Le feu-stop de la voiture est à 400 cd/m²; le panneau-stop à la sortie du parking est à 25 cd/m², la carrosserie de la voiture blanche garée dehors en pleine lumière bondit à 20 000 cd/m², alors que la route en extérieur est à 1400 cd/m². On voit bien que toute la difficulté pour un capteur est de restituer de l'information à la fois dans les zones sombres et dans les zones claires tant l'amplitude de la scène est grande.

Un exemple pour illustrer notre propos: un coucher de soleil dans le ciel (bien exposé), et des jeunes jouant au foot... là il faut nous croire sur parole, car les footballeurs sont noyés dans la zone sous-exposée. Mais dans le noir, il y a beaucoup d'information !


Très bien, mais la dynamique, à quoi ça sert en pratique ?

Et c'est justement là que la dynamique est importante: un capteur avec une très bonne plage dynamique aura enregistré des informations dans la zone sombre, et on pourra la déboucher facilement au développement.
Un peu comme si on avait mis un coup de flash géant au moment du déclenchement.

Voilà l'image précédente retouchée dans Lightroom 4.


C'est déjà bien plus conforme à ce que l’œil avait vu ! L'ombre est totalement débouchée, on retrouve les couleurs et les textures, le tout avec une production de bruit quasi nulle. Il en irait de même si le terrain avait été bien exposé. Le ciel aurait alors été complètement surexposé... mais une bonne dynamique aurait permis d'en retrouver les couleurs au développement.

Pas tous égaux devant la dynamique !

Mais un problème se posera assez vite: le matériel photo n'est pas égal devant la dynamique. On estime habituellement que l'oeil humain a une dynamique de 24 EV. Les meilleurs capteurs photo actuels pour la dynamique sont fabriqués par Sony; on les retrouve un peu partout, chez Sony, Nikon et Pentax principalement. Les convertisseurs analogiques-numériques qu'ils utilisent limitent leur dynamique théorique maximale à 14 EV. Soit 10 diaph de moins que l'oeil... c'est énorme !

Les capteurs de petite taille affichent moins volontiers leur dynamique. On trouve souvent des valeurs bien plus basses. Des capteurs de petite taille (1/2.3" par exemple) ont des dynamiques oscillant autour des 64dB, soit 10 EV en gros et en moyenne. Il convient toutefois de signaler que des générations plus récentes mettent l'accent non plus sur la définition, mais sur la dynamique, et on trouve dans les tableaux de produits d'Aptina par exemple des 1" à 79 dB de dynamique (soit 13 EV tout de même !)

Un petit exemple pour illustrer notre propos. Une comparaison un peu extrême entre le comportement d'un RX1 et d'un iPhone 4S.

La scène originale issue de l'iPhone.


Un petit passage par Lightroom 4 pour tenter de déboucher l'ombre,
en poussant simplement le curseur "tons foncés" au maximum.


Redimensionnée l'image pourrait passer.
Mais un zoom à 100% permet vite de voir l'ampleur des dégâts;
le bruit a "mangé" le gros des détails et des textures.


En comparaison le RX1 et son capteur plein format rendent une copie quasi parfaite (la définition n'est pas la même, ce qui explique la différence de niveau de zoom): tous les détails sont lisibles, et le bruit reste quasiment imperceptible. Avec un peu plus de travail au développement, on arriverait facilement à un résultat parfait.



Si on redimensionne l'image du RX1 à la taille de celle de l'iPhone la comparaison est encore plus criante.


Le cas particulier: Sony vs Canon

Et Canon dans tout ceci ? Sony a pris une belle avance en la matière et Canon marque assez clairement le pas... dans les bas ISO. Dès qu'on pousse la sensibilité Canon retrouve de la vigueur et parvient souvent à reprendre le dessus sur la concurrence.

Mais quand on photographie entre 100 ISO et 800 ISO, les capteurs Sony ont bien plus de facilité à collecter de l'information dans les zones sombres. Les graphiques DxO le montrent clairement, et nous avons pu le confirmer dans la pratique. Le graphique ci-dessous compare les dynamiques des RX1 et 5D MarkIII, et confirme un très net avantage pour Sony de 100 à 800 ISO. 




Nous avons comparé les deux familles de capteur in situ: D800 d'un côté, 5D MkIII de l'autre. Même focale, même sujet photographié à la même heure.



L'exercice imposé consiste à déboucher la zone d'ombre entre les deux étages du toboggan. Pour le faire, nous avons simplement poussé le curseur "zones sombres" de Lightroom 4 sur 88 pour les deux RAW. Le résultat chez Canon.



Le même traitement chez Nikon (la différence de taille vient de la différence de définition).



Le même fichier mis à l'échelle de celui du 5D MkIII.



Le problème de manque de dynamique dans les zones sombres est clairement mis en évidence dans cet exemple. 

La réponse serait à aller chercher dans la fabrication même des capteurs. Sony offre une explication assez détaillée du fonctionnement de ses capteurs sur cette page, pour ceux qui voudraient creuser encore le sujet.

Pour faire court, en voilà un très bref résumé: depuis quelques temps Sony utilise une méthode consistant à incorporer plusieurs convertisseurs A/D au capteur (méthode du "on chip per-column ADCs"). De cette manière Sony peut fortement diminuer la taille de la circuiterie analogique, réduisant d'autant le bruit généré et augmentant au passage la vitesse de traitement, car dans les deux cas, le signal analogique est mesuré au plus près de sa source. Canon utilise encore des convertisseurs "hors capteur" et (à priori) une circuiterie en aluminium et non en cuivre. Mais la marque travaille depuis quelques temps déjà sur une nouvelle génération de capteurs utilisant des process de fabrication bien plus modernes (wafers en 0,18 µm + cuivre, comme les Sony actuels au lieu des 0,5 µm en service chez Canon depuis une dizaine d'années). Ceux qui souhaitent approfondir cet aspect très technique peuvent dévorer cette passionnante analyse de Chipworks

Le problème des capteurs Canon dans les basses ISO est visible sur les graphiques full SNR de DXO, dans lequel idéalement toutes les courbes de couleur devraient être peu ou prou parallèles, et en tout cas ne pas se chevaucher. Ce qui n'est pas le cas pour les ISO 50, 100 et 200 du 5D Mark III (comportement que l'on retrouve sur tous les boîtiers Canon).



La rupture a été visible en 2008, lorsque Nikon a lancé le D3X (chaussé en capteur Sony). La marque offrait un gain en dynamique de 3 EV par rapport au D2Xs, et de quasiment 2 EV par rapport au D3 lancé un an plus tôt; et pour la première fois offrait un graphique full SNR quasi parfait dans les basses ISO.



Tout ceci pour dire quoi ? Non pas que les capteurs Canon sont à proscrire... certainement pas. Mais que les possesseurs de boîtiers Canon auront plus de mal à récupérer de l'information dans les zones sombres que ceux utilisant des capteurs Sony. L'information est importante dans la mesure où elle est à prendre en compte à la prise de vue.

Les facteurs influençant la dynamique: sensibilité ISO, bruit, et conversion analogique/numérique

Pour en finir avec la théorie, il convient de préciser que plusieurs facteurs limitent ou influent sur la dynamique telle que restituée par un capteur. Le premier point est la sensibilité ISO. Plus on la monte, moins la dynamique est élevée... tout simplement parce que le fait de pousser les ISO crée du bruit. 

L'autre facteur est purement matériel: il concerne les convertisseurs analogiques-numériques utilisés. Ceux-ci convertissent la dynamique perçue par le capteur en données numériques contenues dans le fichier RAW de l'appareil. Et ils travaillent sur une précision plus ou moins grande selon le type. On trouve des convertisseurs travaillant sur 8, 10, 12, 14 ou 16 bit. Et cette précision est cruciale puisqu'elle est directement liée à la dynamique que le boîtier pourra restituer. 

Précision en bit ratio de contraste Dynamique en Stops Dynamique en dB
8 256:1 8 48
10 1024:1 10 60
12 4096:1 12 72
14 16384:1 14 84
16 65536:1 16 96
 

Comment s'y retrouver ?

La théorie est parfois complexe. Le meilleur moyen de s'y retrouver quand on est sur le point d'acheter un appareil photo est de se fier aux mesures effectuées par DXO. Les mesures de dynamique sont claires, et présentées sous forme de graphiques prenant en compte la sensibilité ISO. C'est très utile pour savoir quel appareil sera plus à l'aise dans tel ou tel environnement.  




Mais attention, les valeurs renvoyées par DxO ne correspondent pas à la dynamique réelle du capteur ! Toutes les données sont normalisées sur 8 mpix. On lève facilement le lièvre en remarquant que le D800 a une dynamique mesurée par DXO à 14,3 EV... ce qui est normalement impossible puisque Nikon utilise une conversion analogique-numérique sur 14 bit "seulement". Ce qui implique que les valeurs de dynamique fournies par DxO ne peuvent être comparées qu'avec d'autres valeurs normalisées selon la même logique. 

En pratique: utiliser la dynamique au développement

Exploiter la dynamique en post-processing est assez simple. Pourvu que le capteur ait une plage assez étendue et que les conditions de prise de vue soient correctes, on arrive à équilibrer facilement une image en récupérant de la matière dans les zones à priori surexposées, et à priori sous-exposées. A priori... car si on est vraiment sur ou sous-exposé, il n'y aura plus d'information à récupérer... 

Tous les dématriceurs proposent de régler l'exposition, les zones claires et les zones sombres. On pourra jouer sur ces curseurs pour équilibrer une photo. Ici ceux de Lightroom 4.


Et ceux de Capture One Pro 7.


Mais l'outil le plus pratique pour jouer sur la dynamique est de loin la retouche localisée. Les curseurs généraux influent sur l'image entière... même sur les zones dont on est satisfait de prime abord. La retouche localisée offre les mêmes contrôles, mais que l'on appliquera uniquement là où on le souhaite.



Les palettes de retouche localisées de Lightroom 4 sont les plus pointues et les plus variées: on pourra éclaircir, assombrir, retoucher les détails, les contrastes et micro-contrastes, et débruiter localement.


Une seule limite: le bruit

La méthode est facile à utiliser, dans Lightroom comme dans un autre programme d'édition. La seule limite à tout ceci est bien entendu la production de bruit. Et là, tout est une question d'usage et de goût. À 100% le résultat sera parfois médiocre, mais si on réduit la taille de sortie, certains défauts peuvent s'estomper. De même la tolérance au bruit varie d'une personne à l'autre... 
 

RAW vs JPEG

Dans l'optique de préserver autant de dynamique que possible, il est (bien entendu) préférable de travailler en RAW plutôt qu'en JPEG. Le Jpeg est un format déjà compressé, limité à 8 bit alors que le RAW est brut et souvent sur 14 ou 16 bit. On aura logiquement bien plus d'informations disponibles dans un RAW pour travailler une image. Et lorsqu'il s'agit de récupérer de l'information dans des zones sombres ou claires, la chose devient d'une importance majeure. 

Reprenons notre exemple précédent: voici le rendu par défaut du RX1 (export en jpeg d'après le ARW, sans aucune retouche).



Et le résultat en Jpeg directement depuis le boîtier.



Par défaut l'appareil essaie de déboucher un peu l'ombre, et rend une copie intéressante. Mais si on cherche à reprendre la main pour pousser encore plus le débouchage, on voit les limites du format.



Le mur devient rose et non blanc, et le bruit est bien plus présent.


 
Voici une image combinant les traitements RAW et JPEG, avec le même traitement sous LR4, sans accentuation des détails ce qui explique que le travail depuis le RAW (à gauche) semble plus mou que celui depuis le Jpeg (à droite).


Lors de la prise de vue: ISO vs Ouverture... toujours choisir l'ouverture

Tout ceci débouche sur une recommandation assez logique. La montée en ISO crée du bruit, et le bruit limite la dynamique. En analysant les données DXO de manière purement empirique, on constate que le passage de 100 à 200, puis 400, 800, 1600, 3200 ISO fait perdre à peu près 1 EV à chaque palier. La chute de dynamique est aussi importante que facile à anticiper. D'où une conclusion assez logique: plutôt que de monter en ISO, il est souvent préférable d'ouvrir un peu plus le diaphragme pour faire sa photo. Si on peut faire la même photo à 400 ISO et f/2.8 qu'à 800 ISO et f/4... autant préserver le diaph d'écart sur lequel on pourra jouer pour taper dans la dynamique au développement !


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