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 ! |
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Application à la photographie
Dans les chiffres, notre fichier HDR est donc hors concours, et permet effectivement de quantifier n'importe quelle scène à fort contraste. Reste maintenant à renseigner ces informations sur le terrain de manière à ensuite pouvoir les exploiter !
Il existe deux manières de le faire, mais une seule est réellement "HDR":
Développements multiples de fichiers RAW
Un fichier raw contient plus d'informations qu'un fichier jpg, étant quantifié sur 12, 14 ou 16bpc au lieu de 8. Un moyen simple d'extraire toutes les informations d'un raw consiste donc, à partir de la même prise de vue, à réaliser plusieurs développements d'un raw, par exemple en sous-ex d'un diaphragme, à son exposition normale, et en sur-ex d'un diaph, et de recombiner ensuite ces trois développements en une image HDR. Toutefois, comme nous l'avons vue plus haut, même si la dynamique d'un raw est plus étendue que celle d'un jpg, elle n'a rien d'extraordinaire puisqu'elle correspond en fait à la dynamique réelle du capteur, qui est somme toute limitée. On pourait avoir un fichier raw 32bpc, si le capteur n'est pas capable de fournir plus de 10bpc d'écarts, çà ne sert à rien.
De plus, si cette technique permettait il y a quelques années de récupérer des prises vue délicates, les derawtiseurs sont aujourd'hui très perfectionnés et permettent de réaliser ce travail directement, grâce à des réglages fins sur les courbes et à certaines fonctions spéciales (notamment le recovery highlights).
Prises de vues multiples
La véritable prise de vue HDR consiste donc à prendre de multiples expositions de la même scène, à des temps d'exposition différents (en faisant du "bracketing"), pour successivement capter plusieurs parties de la scène (en terme de luminance/chrominance), et ensuite reconstituer ces expositions en une seule. On va donc réaliser, par exemple, une prise de vue sur-ex de 2 diaphs, une autre en exposition moyenne, puis une autre en sous-ex de 2 diaphs. La prise de vue sur-ex nous donnera les informations dans les ombres, la sous-ex dans les hautes-lumières (souvent, le ciel), et l'exposition moyenne nous permettra de joindre le tout autour des informations moyennes. Chaque prise de vue comportant toute la dynamique du capteur, avec trois prises de vue, on obtient une dynamique trois supérieure à celle du capteur (pas tout à fait vrai car les prises se recoupent) !
Vous pouvez réaliser ces prises de vue en jpg ou en raw, par contre si vous les réalisez en raw, développez chaque prise de vue en exposition neutre.
Nous voyons par contre ici, que cette technique n'est employable que dans certains cas de prise de vue. C'est pourquoi les fabricants travaillent beaucoup à améliorer la dynamique des capteurs. En effet, nécessitant plusieurs prises de vue de la même scène, elle ne peux s'entreprendre que sur pieds, et sur des objets fixes. Même sur des paysages, il faudra se méfier du vent, qui ruinera la netteté du feuillage puisque les différentes expositions seront ... différentes ! Adieux donc photos de sports, photos de rue, portraits, etc ...
A noter que cette technique est applicable à l'argentique aussi, en scannant les différentes expositions puis en suivant le même workflow. |
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Réalisation de photographies HDR
Maintenant que nous savons réellement ce qu'est un fichier HDR, et comment réaliser des prises de vue HDR, entrons dans le vif du sujet !
Prises de vue
 Utilisez un trépieds, parfaitement stable, avec si possible un déclencheur souple. Et évitez les jours ventés ...
Réglez votre boîtier en manuel, et sélectionnez une sensibilité (le plus souvent 100ISO puisque sur pied), et une ouverture.
Mesurez les hautes lumières et les ombres de la scène. Pour cela, en mesure spot ou Av, pointez sur ces zones et notez les temps de pose indiqués par la mesure du boîtier (ou utilisez un spotmètre). Sans mesure spot, vous pouvez zoomer sur la zone pour ne pas influencer la mesure.
Une fois que vous avez ces deux valeurs, vous avez l'écart de la scène. Il faut donc déterminer ensuite les autres valeurs, pour les valeurs moyennes. En général, on utilise un écart de 1.5 ou 2IL (1IL se mesurant par 1diaph) entre chaque exposition, pour 2diaphs, il faut donc multiplier ou diviser le temps de pose par 4.
Exemple : Le boîtier mesure 1/1600èm en haute lumière, et 1/8èm en basse lumière.
En procédant par 1IL successif, on obtient : 1/1600 , 1/800 , 1/400 , 1/200 , 1/100 , 1/50 , 1/25 , 1/12 , 1/6. Ce qui nous donne 8IL d'écart.
En prenant une photo tous les 2IL, on obtient cinq photos : 1/1600èm,
1/400èm,
1/100è,
1/25èm,
1/6èm.
A noter que la plupart des capteurs encaissent autour de 6IL sans problèmes, 8IL devrait passer (en raw) mais on n'aura nettement moins de nuances dans les ombres, alors qu'en HDR, on capturera bien plus de nuances dans les ombres, puisque sur-exposées. En effet, la réponse d'un capteur est linéaire, ce qui veux dire que plus il y a de lumière (ou de photons), plus il y a de nuances captées, donc même avec seulement 6IL, un fichier HDR sera plus riche dans les ombres. Toutefois, en dessous de 6IL, le HDR n'est pas vraiment nécessaire, à moins de rechercher certains effets particuliers.
Ajustez manuellement le temps de pose pour chaque prise de vue. Certains boîtiers possèdent des fonctions de bracketing pour cela.
Logiciels HDR
Une fois réalisé vos différentes prises de vue, il va falloir les "assembler" pour former une seule image finale. Cette étape se réalise au moyen de logiciels spécifiques :
- Photomatix pro
- Photoshop qui possède cette fonction depuis la version CS2.
- easyHDR pro, qui possède également une version gratuite.
- Photogenics HDR
Le but va en fait être d'assembler les images 8bpc en une image 32bpc, puis de réduire cette image à nouveau en 8bpc, en compressant les informations HDR au moyen des courbes. En effet, nos écrans et imprimantes, à quelques rares cas, ne sont capables de restituer que 8bpc, vous ne pourrez donc jamais voir votre fichier HDR sur un écran tel qu'il est réellement, vous n'en verrez qu'une partie ! Cette technique de compression au moyen des courbes et de plusieurs prises de vue s'appelle le "Tone-mapping". |
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HDR avec Photoshop CS2
A ce stade, le cheminement est propre à chaque logiciel, tout en étant globalement identique : importer les différentes prises de vue, puis au moyen des différents outils proposés, régler l'importance de chaque prise de vue sur les tonalités de l'image finale, le tone-mapping proprement dit.
Pour illustrer cet article, j'ai bien sur du réaliser des prises de vue. Je prépare donc mon boîtier, déclencheur souple, le tout solidement fixé sur mon trépieds, et au moment de sortir ... impossible, car il y a du vent ! Exemple concret que cette technique présente ses propres limites ! J'ai donc fermé les volets, et réalisé ces prises de vue sur un spot allumé, dans une atmosphère ombrée, le but étant alors de distinguer les détails de l'ampoule allumée, cas typiques de coupure extrême dans les hautes lumières, même nos yeux sont largués sur de tels écarts de luminance !
 Voici une seule prise de vue, classique, en raw, et développé en tirant sur les courbes pour en obtenir quelque chose. Malgré tout, l'ensemble est assez sombre, et les spot malgré tout complètement cramés.
En mesurant les valeurs, j'ai obtenu 1/1000èm et 1/3, malgré tout, sans mesure spot, j'ai commencé à 1/4000èm pour assurer, en faisant cinq prises de vue : 1/4000, 1/1000, 1/250, 1/60, 1/15, 1/3 (donc 2IL d'écart à chaque fois). Cliquez ici pour voir les prises de vue.
Dans photoshop, faites File / Automate / Merge to HDR
Avec "Browse", allez dans le répertoire contenant vos prises de vue, et sélectionnez les, puis "ok".
 Photoshop ouvre alors les fichiers, et réalise l'assemblage. Une fenêtre apparaît avec un composite en 32bpc et les images importées, faites simplement "ok" sans appliquer de réglages. Vous obtenez ainsi une véritable image HDR en 32bpc ! Votre écran étant totalement incapable de restituer une telle gamme de tons, elle apparaît cramé, c'est normal.
Pour visualiser et régler l'image telle qu'elle pourra être diffusée ou imprimée, il faut maintenant la convertir, ou en 16bpc, ou en 8bpc. Il est préférable de la convertir en 16bpc, ce qui permettra de faire des retouches ensuite en conservant une qualité maximale, mais il faudra alors la convertir ensuite en 8bpc. Dans un cas comme dans l'autre, le fait de convertir une image HDR en 16 ou 8bpc ouvre une fenêtre de réglage pour choisir la manière de compresser ces 32bpc en 16 ou 8.
Dans la fenêtre HDR conversion ainsi ouverte, vous disposez de plusieurs option. Choisissez "Local adaptation", seule option vous permettant de régler vous même la courbe de transfert des valeurs.
 Réglez maintenant la courbe de transfert comme vous l'entendez, ainsi que les deux réglages "radius" et "threshold", afin de trouver le meilleur compromis, puis cliquez sur "ok" pour obtenir votre image finale !
Voici typiquement une image impossible à réaliser sans passer par de telles techniques !
Attention toutefois : Si j'avais eu à réaliser une prise de vue de ce spot, je n'aurai pas fait comme ça. En effet, nous nous sommes mit volontairement dans une situation scabreuse, à savoir spot allumé, seul, dans une pièce noire, afin de créer un écart de luminance énorme, pour illustrer cette technique.
Dans un cas comme ça, le même spot, allumé, mais dans une ambiance claire, type éclairage de studio afin de contrebalancer les écarts de luminance engendrés par les ampoules, n'aurait pas poser de problème particulier, et le résultat aurait sûrement été meilleur !
Par contre, en paysage, surtout pour des couchés/levés de soleil, là impossible d'utiliser un éclairage de studio ! |
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Conclusion
Nous avons donc vue que face à la dynamique limitée des capteurs, il existe bien une solution, relativement simple, qui permet de capter toutes les nuances d'une scène à très fort contrastes. Cette solution, la photographie HDR, comporte toutefois des contraintes et limite ainsi son champs d'application aux scènes fixes, sans vents ni sujet mobile, et impose de travailler sur pied. Si les résultats sont convaincants, fournissant des images extrêmement riches, cette technique devient vite très lourdes si on veux la généraliser sur plusieurs photos. Par exemple, si vous réalisez 10 prises de vues lors d'une session, cette technique vous imposera de prendre en fait 50 prises de vues, sans se tromper (!!), et d'être extrêmement rigoureux pour ne pas tout mélanger !
les fabricants de capteurs doivent donc continuer à améliorer la dynamique de leurs capteurs pour peut être un jour travailler en HDR en une seule prise de vue, avec des fichiers raw 32bpc et surtout des capteur "encaissant" cette dynamique.
Attention tout de même, car ces fichiers sont très lourds, et ce n'est pas demain qu'on pourra lâcher une rafale à 10fps de raw 32bpc en 10 megapixels !
Maintenant, je dois quand même vous avouer quelque chose : bien que limitée, la dynamique des capteurs actuels permet quand même de répondre à la grande majorité des cas, et selon vos aspirations artistiques, la prise de vue HDR n'est pas forcément utile. Aucune des photos présentent sur ce site n'a été réalisée comme cela, ce qui ne m'empêche pas de m'exprimer pleinement au travers de mes prises de vue !
La technique n'est qu'un outil, et doit répondre à un besoin, connaître de telles techniques ne veux pas dire qu'il faut les utiliser tout les jours (l'exemple du spot l'illustre bien, où un éclairage de studio aurait été bien plus judicieux). Pour info, la photo en haut de l'article n'a rien de HDR, c'est juste un raw développé avec une courbe en S inversé ;-)
Nicolas Genette, le 21 Août 2007. |
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