La restitution des images sur ordinateur

Le format HDR, High-Dynamic Range (IV)

Les ordinateurs domestiques ne sont ni optimisés pour les images de synthèse ni pour la vidéo. Leur gamma est paramétré pour s'adapter à n'importe quel standard, ou plus précisément, il n'est adapté a aucun standard en particulier. C'est la raison pour laquelle l'échange d'images entre ordinateurs, et spécialement entre Macintosh et PC souffre d'énormes difficultés quant il s'agit de respecter le gamma.

Pire, il y a aujourd'hui un gouffre entre ce que nous voyons dans la nature et sa reproduction à l'écran ou sur papier. Si cela ne vous a pas frappé, vous êtes chanceux ou pas du tout concerné par la qualité des reproductions !

A l'inverse, si vous avez déjà remarqué une différence entre vos prises de vues et le résultat sur écran, sur papier photo ou dans leur publication dans un magazine, vous êtes sensibilisé à la question de la restitution fidèle des images, au respect des couleurs et du contraste. C'est ici que le bât blesse. Hormis la question délicate des couleurs qui fera l'objet d'un autre article, il y a la question du contraste. Elle paraît anodine, mais vous allez découvrir que nous sommes encore loin de pouvoir copier la dynamique de contraste d'une scène naturelle. Voyons quelles sont les données du problème.

Une question de contraste

Dans la nature nous pouvons observer des différences de contraste très importantes qui atteignent 10⁶:1 dans le cas d'un contre-jour.

Ainsi que le montre l'image de gauche, il est généralement très difficile d'enregistrer une scène à contre-jour sans brûler la zone brillante de la pellicule ou saturer les pixels (effet de blooming) et sans sous-exposer en contrepartie les faibles lumières. Nous devons faire un compromis et ruser d'ingéniosité pour prendre des mesures de lumière dans différentes zones de l'image pour espérer couvrir toute la gamme des luminances. Le résultat n'est pas toujours celui escompté et le travail en chambre noir ou le postprocessing numérique ne résoud pas toujours le problème. Ce savoir-faire est par ailleurs lent à acquérir et à appliquer et souvent délaissé par les débutants.

A titre de comparaison, de nos jours les TV à tube cathodique et certains écrans plats 16/9 présentent une dynamique de contraste qui peut atteindre 10000:1 (H & B HP-4250V). Les écrans TFT d'ordinateurs atteignent un contraste de 1500:1, rarement plus. Les médias les plus sophistiqués présentent une dynamique de 300:1 seulement.

Un film projeté sur un écran de cinéma retombe déjà à un contraste de 80:1 environ (gamma de 1.9), une télévision classique de 30:1 (gamma de 1.5), tandis qu'un écran d'ordinateur utilisé dans des conditions de travail bureautique (environnement lumineux) présente un contraste d'à peine 5:1 (gamma de 0.7). Entre un contre-jour et l'image affichée sur un PC de bureau, la différence de contraste atteint donc un facteur 4 !

Si l'oeil peut plus ou moins s'en accomoder, jusqu'il y a peu il était impossible de réunir ces extrêmes dans un écran, moins encore dans une photographie publiée dans un magazine; toute la dynamique disparaît en raison de la faible qualité de reproduction de ces médias. Ce problème ne sera bientôt plus qu'un souvenir grâce à la technologie HDR. Voyons brièvement ses avantages.

HDR (high-dynamic range) fut développé en 1997 par le professeur Paul Debevec, chercheur en art graphique à l'ICT Graphic Lab de Californie. HDR tire avantage du format de données en virgule flottante, représentant une couleur par 3 octets (cf page suivante) au lieu d'un seul. Cette méthode permet de gérer des images et des animations dont les nuances se déplacent imperceptiblement tant en saturation qu'en contraste et de corriger des images accusant de grandes différences de contraste. En voici une courte revue en anglais.

HDR est également capable de lire d'autres formats hautement dynamiques tel que l'HDR de Radiance, les images TIFF sur 16 bits fixes ou en virgule flottante, le format PFM et les fichiers raw binaires des APN. Il peut exporter en format 8 bit standard y compris en JPG, BMP et TIFF.

Même si vous ne tirez pas avantage de cette technique, en chargeant une image dans un logiciel supportant le format HDR, vous pouvez tirer profit de la précision additionnelle qu'offre cet algorithme et rehausser la dynamique de vos images.

Grâce à cette technique, tout logiciel HDR est en mesure de manipuler un nombre faramineux de valeurs lumineuses pour équilibrer une image qui présente de violents contrastes ou pour lui apporter des corrections, des effets spéciaux, etc, inaccessibles à un logiciel conventionnel. On y reviendra.

Pour pouvoir maîtriser les contrastes violents et en quelque sorte réduire leur impacts négatif dans une photographie, le format HDR doit pouvoir s'appliquer à tous les périphériques de la chaîne PAO :  à l'appareil photo numérique (APN), au système d'enregistrement, à l'écran, au logiciel de traitement d'image et à l'imprimante. Etant donné qu'il s'agit d'une technologie, chaque maillon de cette chaîne doit être modifié pour supporter ce nouveau format d'image. Passons donc en revue chacun de ces maillons, l'APN, le format d'archivage, l'écran et la carte graphique, les applications et enfin l'imprimante.

A. Les appareils photos numériques

Afin de supporter les caractéristiques hautement dynamiques du format HDR, les nouveaux APN devront remplacer leur capteur photosensible et leur processeur d'image. A l'image des émulsions argentiques couleurs qui présentent des couches de haute et de faible sensibilité pour chaque couche RGB, le capteur CMOS des nouveaux APN devra tenir compte de l'échelle hautement dynamique des contrastes afin de pouvoir restituer cette image sans perte aux autres éléments de la chaîne PAO.

Actuellement, la seule façon de s'en approcher (car nous sommes encore à 48 bits/pixels maximum) est de réaliser la prise de vue en mode RAW qui préserve l'information de l'image. Mais généralement, dans les situations extrêmes (contre-jour), si le sujet est correctement exposé, le paysage est assombri, c'est frappant sur les photographies de coucher de Soleil... Reste à essayer de corriger ce problème dans un logiciel de traitement d'image mais c'est peine perdue.

Plusieurs techniques ont été proposées pour justement vous éviter ces "manips" ultérieures. L'une remplace le CCD ou le CMOS constitué de simples photodiodes juxtaposées par des couples de photodiodes, l'une très sensible et de grande taille, l'autre plus petite et beaucoup moins sensible, une structure rappelant celle des émulsions couleurs négatives. C'est par exemple le cas du capteur "Super CCD" équipant le Fujifilm FinePix S3 Pro (12.3 millions de pixels, 1600 €) dont deux images sont présentées ci-dessous.

Amélioration de la dynamique des images prises avec l'APN Fujifilm FinePix S3 Pro grâce à l'utilisation d'un capteur muni de deux types de photodiodes, les unes très sensibles et de grande taille, les autres peu sensibles et de petite taille. Leur combinaison évite d'avoir des zones surexposées ou brûlées (comparez les reflets blancs dans les fenêtres et sur le ballon jaune). A gauche, une photographie réalisée en mode dynamique normal, à droite en activant le Wide Dynamic Range 2 avec un gain de 400%. Comme le dit la critique, si la différence est sensible, le gain de 400% n'est pas évident. Documents DPReview.

Inconvénient de cette méthode, à surface de capteur constante, sa résolution va diminuer de 25 à 50% puisqu'il y a deux fois plus de cellules photosensibles; les utilisateurs n'accepteront jamais de réduire leurs agrandissements de moitié pour gagner du contraste !

Autre solution, réaliser très rapidement plusieurs images du même sujet sous différentes expositions et créer un compositage qui reflètera toute sa dynamique, une méthode classique qui est connue de tout laborantin et des adeptes des techniques de masque.

Si nous perdons quelque part en résolution, en revanche ce système HDR pourra enregistrer à la fois les très faibles et les très fortes lumières. En pratique tout photographe pourra enregistrer des contre-jours ou tout autre condition d'ensoleillement violent sans perdre aucun information de luminance (par ex. photo d'intérieur devant des vitres donnant sur l'extérieur, reflets du Soleil sur l'eau, etc). Même les flashes deviendront inutiles puisque le HDR sera capable d'enregister de très faibles luminances, et avec lui fini les portraits aux yeux rouges...

A priori, étant donné que les grands constructeurs en sont encore au stade expérimental, on peut estimer qu'il s'écoulera sans doute 10 ans avant que le format HDR soit disponible sur les APN d'entrée de gamme. Mais comme le format FITS ou TIFF, étant donné ses exigences hardware et software, on peut supposer qu'il sera d'abord utilisé par les amateurs avertis et les professionnels.

B. L'archivage

Maintenant vient la question du stockage en mémoire flash ou l'archivage de cette image sur disque. Ici, même les formats haute résolution tel que RAW, PNG ou JPEG2000 sont des formats 16 bits (48 bits/pixel), avec ou sans virgule flottante, limités à un peu plus de 16.7 millions de couleurs. Si votre format HDR présente une dynamique supérieure, ces valeurs ne seront jamais affichées sur votre écran car ces formats standards les auront perdu dans leur algorithme de compression. Seuls de nouveaux algorithmes pourront tirer avantage de cette technologie. C'est justement pour supporter le format HDR que le langage OpenEXR a été développé.

C. L'écran et la carte graphique

Contrairement aux écrans ordinaires, cathodiques ou plats qui travaillent aujourd'hui avec 24, 32 ou 48 bits/pixel, la technologie HDR exige des configurations hardware et software de 128 bits/pixel ! C'est le prix à payer pour gérer une gamme de gris et un nuancier de couleurs se rapprochant des valeurs naturelles et surtout pour pouvoir les restituer sans perte. En HDR chaque pixel peut afficher 2¹²⁸ nuances ! La palette de couleurs contient plus de 340 milliards de milliards de milliards de milliards de nuances !

Mais il est impossible d'afficher ce spectre chromatique étendu à l'écran en utilisant la technologie et les algorithmes actuels. Le logiciel pilotant l'écran doit donc établir une et généralement plusieurs tables de correspondances entre HDR et la capacité plus limitée du gamma supporté par l'écran. La méthode consiste à prendre la valeur de la plage la plus brillante que l'utilisateur est capable de percevoir et de la convertir à l'écran dans la plage chromatique la plus brillante que l'écran puisse supporter; la plage la plus sombre sera affichée à l'écran dans la plage la plus sombre qu'il puisse également supporter.

Cette procédure s'adapte donc à l'utilisateur; une gamme noir et blanc pour l'un pourra ainsi paraître trop ou trop peu contrastée pour un autre, mais il pourra l'adapter à ses propres facultées sensorielles. Au final, le HDR permet de remplir en permanence l'espace colorimétrique de l'écran, donnant à l'image tout son rendu dans ses moindres détails, qu'ils soient clairs ou sombres.

Ainsi que nous l'expliquerons dans le prochain chapitre, cette performance requiert des ressources. 32 bits c'est 4 fois plus que la capacité des cartes graphiques et des écrans ordinaires, c'est donc aussi 4 fois plus de trafic et des fichiers 4 fois plus volumineux !

Inconvénient, dans un système classique, HDR va donc ralentir le débit des animations dans les mêmes proportions. Un utilisateur étant très sensible à la vitesse d'affichage des images sur son écran, il aura vite le sentiment que son ordinateur devient 4 fois plus lent s'il utilise des logiciels supportant le format HDR. Même si on lui démontre que son PC tourne aussi vite et que tout le travail graphique est pris en charge par le processeur de la carte graphique, il est un fait que les images défileront plus lentement à l'écran.

Pour y remédier il n'y a pas de miracles, il faut que les cartes graphiques deviennent encore plus intelligentes et disposent d'encore plus de mémoire, des bus de plus grande capacité pour contenir le débit d'information toujours plus volumineux.

La plupart des constructeurs supportent déjà le format HDR : les cartes ATI Radeon series 9000 et X, les NVidia series GeForce et Quadro ou encore les cartes de la serie Chrome de S3 Graphics. On reviendra plus loin sur les performances de ces cartes.

A l'heure actuelle, il existe très peu d'écrans HDR, on les compte même sur les doigts d'une main à ce jour : Sharp (2005), BrightSide (repris par Dolby labs, Inc) dont voici une revue publiée en 2005 et SIM2 Solar Series fabriqué par SIM2 Multimedia et Dolby Labs (2009). 

Ceux qui en ont vu de près ont l'impression que lorsqu'ils passent d'un écran HDR à un TFT ordinaire, c'est comme s'ils passaient de l'image d'une diapositive de grand format à une reproduction sur papier journal... Et encore ici la différence de contraste atteint à peine un facteur 2 ! Imaginez ce qu'on doit ressentir en passant d'un contraste de 60000:1 sur un BrightSide à 1000:1 pour un écran cathodique... Il en est de même de la brillance qui est dix fois plus intense sur le modèle de BrightSide que sur un écran cathodique (3000 cd/m² contre 300) !

Si a priori cette technologie est inutile pour celui qui effectue de la PAO, il est fort à parier que dans un proche avenir, toutes les opérations de combinaison et d'assemblage d'images feront appel à cette technologie. Les cartes graphiques peu performantes seront abandonnées au profit de modèles plus sophistiqués, Radéon et autre GeForce, codant cette fois sur 128 bits ! Quant aux écrans, on peut conserver la technologie TFT actuelle, limitée à un contraste d'environ 1000 à 1500:1 dans le monde informatique, mais il serait avantageux de l'adapter aux hauts contrastes HDR comme cela se fait déjà avec les téléviseurs à écran plat.

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Au centre, une image sauvegardée et traitée au format hautement dynamique HDR sur 128 bits en virgule flottante (voir explications page suivante). Son rendu est fidèle à l'impression visuelle du photographe. Les zones brillantes comme celles plongées dans l'ombre sont équilibrées. A gauche, la même image mais sauvegardée au format 24 bits traditionnel avec réduction du contraste jusqu'à 1/64 eme (l'équivalent d'une réduction de gamma de 1.0 à 0.015). Une partie de l'information de luminance a été perdue au cours de l'opération; on distingue à peine les vitraux (si votre écran est calibré on doit les distinguer sous forme de plages uniformément grises et très pâles, sans aucun détail). A droite, l'image HDR dont on a réduit le contraste dans les mêmes proportions. Les hautes lumières sont préservées et on distingue même la couleur dans les vitraux du bas. Le même effet pourrait s'appliquer aux zones sombres bien que cela ne soit généralement pas nécessaire. Documents HDRShop.

D. Les applications

Du côté de l'édition et du traitement d'image, le problème s'aggrave. Prenez par exemple une image et modifier sa luminosité ou son contraste dans un logiciel graphique ordinaire qui ne dispose pas de fonction mémoriser l'historique des opérations. Procédez de la sorte quelquefois et tentez ensuite de retrouver l'image originale. Peine perdue. L'image a perdu sa dynamique et si vous forcez les variations, l'image sera finalement binaire, soit bonne, soit blanche ou noire selon le côté de l'échelle des luminances que vous choisissez. La seule solution pour éviter ce problème est d'une part d'utiliser un logiciel gérant les historiques pour pouvoir faire marche arrière (undo) et d'autre part de travailler avec des différents plans superposés (layers), autant de fonctions natives sous Photoshop. Mais même ainsi, il y a des limites.

Une fois encore, la seule solution consiste à développer un langage de programmation supportant le format HDR. Ce qui fut fait.

En 2003, la société Industrial Light & Magic a développé un format de fichier appelé OpenEXR, un format HDR adapté à l'infographie, renforçant l'intérêt de l'industrie cinématographique pour cette technoloqie. En effet, OpenEXR et donc HDR par voie de conséquence a été utilisé pour créer les animations numériques de films aussi célèbres qu'Harry Potter à l'école des Sorciers (Harry Potter and the Sorcerer's Stone), Men in Black II, Gangs of New York, etc. Aujourd'hui le langage OpenEXR est considéré comme "le" standard graphique de certaines sociétés d'imagerie. On peut donc envisager que le format HDR soit promu à un avenir brillant.

Pour l'amateur, l'avantage du HDR est de simplifier le traitement d'images et donc de réduire le temps passé à réaliser des retouches sur les images par exemple.

Par ailleurs, disposant d'une palette de luminance aujourd'hui largement plus étendue que celle supportée par les écrans 8 bits/couleur, le format HDR permet également de ramener dans l'espace colorimétrique de l'écran des tonalités invisibles mais présentes dans les données de l'image originale, l'équivalent du rôle assuré par le module de gestion des couleurs CMM de Photoshop, ce qu'on appelle le "tone mapping". Plusieurs fonctions de ce type ont déjà été brevetées notamment Smart tone mapping, Fattal, Lischinkski et Werman. A n'en pas douter, la prochaine génération de logiciels de traitement d'image incluera ce genre de fonction.

A lire : RAW HDR Processing, Andre Gunther

How To create HDR photographs (sous PS CS2)

A gauche, une image traditionnelle au format 24 bits. Au centre, le même sujet en format HDR. Rien ne les différencie. A droite, traitement de l'image HDR par les algorithmes Fattal et Lischinkski et conversion des tonalités par la fonction de Werman. Toute la dynamique du sujet a été préservée et a donc pu être révélée. Un traitement numérique traditionnel sur une image 24 bit aurait nécessité quelques astuces (des calques, des masques, une modification du contraste de chaque zone brillante, etc) et pas mal de savoir-faire, sans être certain de la qualité du résultat. Document HDRShop.

Résultat, ainsi que le montre l'image présentée ci-dessus réalisée en HDR par Paul Debevec, en utilisant très peu de fonctions, l'image originale qui présentait des plages surexposées redevient équilibrée et toutes les détails apparaissent dans les zones brillantes tout en préservant les zones d'ombres, comme si nous avions utilisé un masque flou (unsharp mask). Grand-père manipulant ses doigts pour créer son masque, n'en reviendrait pas ! Et de fait, la technique est géniale.