Lab : La photographie HDR, explications et réalisation.

  Une des problématique des films et encore plus des capteurs numériques, est leur capacité à restituer des scènes à fort contraste. Ceci se caractérise par des hautes-lumières brûlées et/ou des ombres complètement bouchées, alors que sur place, l'oeil y distingue beaucoup plus de tonalités. Les capteurs ont en effet une dynamique (une capacité à enregistrer des écarts de luminosité) assez limitée, inhérent à la technologie employée. Il nous faut dans ces cas là choisir entre une exposition privilégiant les hautes-lumières, ou au contraire les ombres. Il existe toutefois des solutions, mais qui imposent certaines contraintes en terme de prise de vue. Nous allons ici essayer de faire un tour d'horizon de la photographie HDR, et de ses champs d'applications.

HDR, définition
Application à la photographie
Réalisation de photographies HDR (prises de vue)
HDR avec Photoshop CS2
Conclusion

HDR, définition

Tout d'abord, commençons par définir le terme "HDR", ou High Dynamic Range. J'utilise moi même ces images dans un autre domaine, en image de synthèse, où ce format est apparu à la fin des années 90, notamment grâce aux travaux de Paul Debevec. Ce format est aujourd'hui beaucoup utilisé en openEXR (développé par ILM, le fameux studio de Georges Lucas) en rendu et compositing dans ce domaine.

Un pixel d'une image est composé de trois couches de couleurs, Rouge Vert Bleu, chaque couche pouvant contenir un certain nombre de nuances. En 8bits, chaque couche est donc codée sur 8bits (ou 8bpc, pour Bits Per Channel), soit 256 nuances de rouge, de vert, et de bleu. En effet, l'informatique étant binaire, on dispose de 8 '0' ou '1' pour coder l'information, soit 2⁸ = 256 possibilités. Sur trois couches (nos couches R,V,B), on obtient donc 256³ = 16 777 216 de couleurs, soit 24bpp (Bit Per Pixel).
Un fichier 32bits est en fait un fichier 8bpc (24bpp donc), mais avec une quatrième couche, appelée couche alpha, comportant une information de transparence. Par exemple, un pixel 100,100,100,128 sera un pixel gris foncé, à 50% de transparence. Ceci afin de clarifier les choses, car nous ne nous intéresserons pas ici à la couche alpha.

Bien sur, n'importe quelle scène devrait être divisible en 256 niveaux, mais cela dépend directement de la dynamique que peu "encaisser" un capteur, et donc de la technologie des capteurs actuels. Par exemple, si vous avez des ombres dans une scène en plein soleil, les capteurs (même les meilleurs films) ne pourront pas "diviser" un tel écart de contraste en 256 niveaux. D'un point de vue technique, tout en enregistrant le très faible nombre de photons émit par les ombres de la scène, les photosites du capteur (ou les grains d'argent d'un film) devraient pouvoir enregistrer en même temps une quantité énorme de photons dans les hautes-lumières. Aujourd'hui, une telle quantité de photons "déborde" des photosites, on dit alors qu'ils saturent, et enregistrent donc un blanc pur. C'est d'autant plus flagrant sur les compacts, qui ont des photosites minuscules. Peut être un jour aurons nous des photosites capables de se vider et d'enregistrer en continu pendant le temps de pose, mais nous en sommes encore loin ... Donc, dans une telle scène, ou vous augmentez le temps de pose pour capturer les ombres (et saturez les hautes-lumières), ou vous diminuez le temps de pose pour capter les hautes lumières, mais alors les ombres seront noires, car trop peu (voir aucun) de photons émis par les ombres ne viendront heurter le capteur dans un temps aussi court !

Vous devriez alors vous même entrevoir une solution : diviser la capture de la scène pour capter une fois les ombres, une autre fois les hautes lumières, et combiner ensuite ces deux messages pour faire une seule image ! C'est précisément le but des prises de vue HDR.
Les images HDRI (High Dynamic Range Image) sont en fait une combinaison de plusieurs prises de vue avec des expositions différentes, autorisant alors des niveaux de couleurs supérieurs à 255. Par exemple, là où un mur blanc aura une intensité de 1.0 (255,255,255 dans l'espace RVB), le soleil, également blanc dans l'espace RVB, aura une intensité de 4.5.

Le raw, enregistré en 12bits, voir maintenant 14bits sur les derniers DSLRs Canon (et 16bits sur les dos Moyen Format numériques) permet de bénéficier de la dynamique réelle des capteurs, déjà supérieur à 8bits, mais ne résout pas complètement le problème pour autant. Les formats HDR sont en effet bien plus larges, atteignant pour la plupart 32bpc. Encore quelques chiffres :

8bpc = 2⁸ = 256 nuances par canal.
12bpc = 2¹² = 4096 nuances par canal.
14bpc = 2¹⁴ = 16384 nuances par canal.
16bpc = 2¹⁶ = 65536 nuances par canal.
32bpc = 2³² = 4.2 milliards de nuances par canal.

On voit ainsi que même notre fichier raw 16bits (16bpc) est complètement largué par un fichier HDR, comportant 4.2 milliards de nuances par canal. Doit-on encore évoquer les 255 nuances de nos fichiers jpgs ? ...

Cas particulier de la vision humaine.

On pourrait avancer l'idée qu'un fichier HDR se rapproche de la vision humaine et de la capacité de l'oeil à distinguer des détails dans les ombres même en plein soleil. Ce serait beaucoup simplifier les choses, car la dynamique de l'oeil, même si elle est bien plus étendue que n'importe quel capteur ou film, est loin d'être infinie, et surtout ne fonctionne pas de la même façon. En effet, quand vous affichez un fichier image (écran, édition etc), toutes les informations sont contenues dans le fichier et ne varient pas.
L'oeil, lui, ne voit pas toute la scène, ou plutôt il la voit, mais ne distingue les détails que dans un champ assez restreint, là où on regarde réellement, correspondant à la fovéa, zone centrale de la macula, zone de la rétine où la vision des détails est la plus précise.
Et là où réside la grâce de la nature, c'est que l'oeil s'adapte en quasi temps réel à la luminance moyenne présente dans la fovéa, d'une part par réaction instinctive en adaptant le diamètre de la pupille, mais aussi en adaptant la sensibilité de la rétine, qui traduit de façon non linéaire cette luminance en sensation de luminosité (en signal électrique à destination du cerveau). Ainsi, comme notre capteur, vous ne pourrez pas distinguer de détails dans les ombres si le soleil est directement dans votre champ de vision (dans la fovéa), par contre en décalant son champ de vision, même si le soleil est toujours "visible", l'oeil s'adapte et distingue alors les détails.
Il faudra donc dans notre fichier HDR, qui lui est complet, une dynamique plus étendue que celle de l'oeil elle même !