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Sensibilité des APN aux rayonnements IR et UV

Le parc d'Echternach (L) photographié en IR par l'auteur avec un Nikon D90 muni d'un filtre interne Schott RG665 et d'un zoom 16-85 mm. Exposition de 1/50eme à f/18, 200 ISO. Balance des blancs sur le feuillage. Image corrigée sous Photoshop.

La photographie en proche IR (II)

Quel usage peut-on faire de la photographie proche infrarouge ? Le rayonnement proche infrarouge a de multiples applications scientifiques. Il permet de pénétrer les nappes de brume, le brouillard, d'accenter les détails à l'horizon, de détecter l'émission de la chlorophylle, la bioluminescence IR, etc. Sa contrepartie spectrométrique permet également d'établir des diagnostics médicaux.

En photographie N/B ce rayonnement donne l'impression d'agrandir la profondeur de champ dans les paysages et augmente le contraste des images (et inversement en UV).

On utilise principalement cette technique en astrophotographie : pour l'observation de Mars et de Titan et pour enregistrer les nébuleuses brillantes rayonnant en hydrogène alpha.

Le photographe amateur quant à lui utilise généralement l'infrarouge à des fins purement esthétiques : pour mettre en évidence un paysage champêtre, une nature sauvage ou un site particulier (édifice, ruine, etc) auquel il donnera de fausses couleurs pour accentuer l'émotion.

Mais avant d'éprouver ce plaisir, nous verrons qu'un traitement sur ordinateur est indispensable ne fut-ce que pour désaturer l'image et corriger son contraste ou modifier la tonalité des couleurs.

Pouvoir réfléchissant des objets en IR

Avant de commencer à photographier, il est utile de se familiariser avec le pouvoir réfléchissant (l'albedo) des différentes matières dans le rayonnement proche IR, car c'est la réponse des corps dans ce rayonnement que nous allons enregistrer.

Avec les APN de dernière génération il est facile de visualiser l'aspect des objets en infrarouge. En effet, en utilisant un APN compact affichant l'image sur l'écran avant la prise de vue ou un APN réflex équipé ou non d'un mode "Live View", il ne faut que quelques minutes pour voir et comprendre quels sont les objets brillants et ceux donnant une image sombre.

Le graphique présenté ci-dessous montre les courbes de réponse de différentes matières dans le rayonnement visible et proche IR. Ainsi qu'on le constate, le feuillage et le sable sont très brillants en IR (jusqu'à 70 % de réflexion) et prendront donc une couleur clair en couleurs et seront pratiquement blanc en N/B. En revanche, le ciel et le bois (tronc) seront sombres tandis que l'eau sera noire.

A voir : Galeries d'images "Infrared World"

On constate sur ce graphique que la plupart des matières absorbent la lumière sous 700 nm, présentant un aspect sombre (bois, feuillage, mer, etc). En revanche, en IR la végétation devient très brillante tandis que la mer (comme le ciel clair) reste sombre car la surface de l'eau émet à peine 10 % de rayonnement. Le ciel bleu n'émet pratiquement pas non plus de rayonnement IR. Document Kevin Frankel et al.

Mise au point

Les optiques des appareils photos sont conçues pour focaliser la lumière blanche au plan focal. L'autofocus est également calibré pour une longueur d'onde de 500 nm tenant compte de l'épaisseur et de l'indice de réfraction du filtre IR bloquant ou du verre clair qui le remplace. Par conséquent, le rayonnement IR ne focalise pas dans le même plan focal.

L'autofocus est par exemple très difficile à utiliser en macro et doit être débrayé ou désactivé. En revanche, vous pouvez conserver l'autofocus si vous travaillez avec une grande profondeur de champ.

La plupart des appareils réflex indiquent la mise au point sur l'infini en IR par un point ou une trait rouge situé non loin du symbole de l'infini. A défaut de repère (comme c'est le cas sur les APN compacts), photographiez le plus possible en mode autofocus en vérifiant qu'elle s'effectue bien entre quelques mètres et l'infini.

Ceci dit, sur les APN de dernière génération, il est toujours possible de voir l'image sur l'écran avant de l'enregistrer et même sur certains compacts d'effectuer la mise au point manuellement.

Durée et compensation d'exposition

De manière générale, dans les mêmes conditions de prise de vue (éclairage, matériel et sujet), la durée d'exposition varie proportionnellement à la taille du capteur photosensible. Mais même au sein d'une même marque, deux modèles d'APN utilisant le même capteur ne donneront pas nécessairement les mêmes temps d'exposition. Ainsi, selon des tests calibrés réalisés par MaxMax, le temps d'exposition peut passer de 1/60e de seconde sur un Canon 300D à 1/30e de seconde sur un Canon 400D.

En complément, plus un capteur est grand moins il présente de bruit thermique, plus le rapport signal/bruit est élevé et plus il est sensible au rayonnement IR.

La perte de lumière qu'entraîne un filtre IR nécessite une compensation d'exposition. Cette correction est transparente pour le photographe puisque la mesure d'exposition s'établit généralement à travers l'objectif mais il est bon de savoir que le temps d'exposition va varier en fonction du filtre utilisé.

Ainsi comparée à une prise de vue sans filtre, la compensation d'exposition varie entre +2 EV (RG665, R-72), +5 EV (RG830) et +12 EV (W87 et W87C). Notez que +10 EV représente 210 soit de multiplier le temps d'exposition par 1024. 

Sans aller jusqu'à cet extrême, même en utilisant un filtre IR transmettant un peu de lumière (sous filtre X-Nite 630, RG665, R-72, etc) si les conditions météos changent et que l'intensité de la lumière diminue, vous risquez de vous retrouver avec des durées d'expositions deux à quatre fois plus longues qu'en plein soleil.

La compensation d'exposition (EV)

Exemple de compensation d'exposition où nous avons défini que pour une sensibilité donnée le couple vitesse/diaphragme (par ex. f/2 à 1/250e de sec) offrait une exposition correcte :

EV

-5 -4

-3

-2

-1

0

+1

+2

+3

+4

+5

+6

+7

+8

+9

f/

1.0

1.4

2

2.8

4

5.6

8

11

16

22

32

45

64

90

128

V

1/1000

1/500

1/250

1/125

1/60

1/30

1/15

1/8

1/4

1/2

1

2

4

8

16

Si nous fermons le diaphragme de 3 ouvertures, passant par exemple de f/5.6 à f/16, pour obtenir la même luminance, l'exposition devra être compensée de +3 EV, c'est-à-dire que le temps d'exposition devra être multiplié par 23 et sera donc 8 fois plus lent, passant dans notre exemple de 1/30e à 1/4 de seconde.

La même méthode de calcul s'applique à l'utilisation des filtres IR qui exigent une grande compensation d'exposition et donc des temps d'expositions très lents pour une même ouverture relative.

Si vous utilisez un filtre IR coupant toute la lumière visible (RG830, W87C, etc), même en plein Soleil le temps d'exposition sera au moins 16 fois plus lent (+4 EV) comparé à une photographie réalisée sans filtre. Si vous utilisez un filtre polarisant, vous devrez compenser d'au moins +1 EV supplémentaire et si le ciel est nuageux, ajoutez encore 1 à +2 EV...

Un trépied peut donc être utile. Sur les nouveaux APN ou objectifs, l'alternative est d'utiliser le stabilisateur d'image (VR) qui permet de gagner jusqu'à trois vitesses d'obturation selon Nikon. Sur le terrain on peut effectivement photographier des sujets fixes à main levée jusqu'à 1/6e de seconde.

De manière générale, vu la perte de luminosité, il n'est pas exclu de devoir augmenter la sensibilité jusqu'à 400 ISO et d'avoir des temps d'exposition de l'ordre de 1/100e à 1/10e de sec voire même de quelques secondes si le filtre est totalement opaque à la lumière. Si votre APN dispose d'une fonction de réduction de bruit (NR), activez-la, elle sera très utile bien qu'elle puisse générer une perte de définition.

Notez également qu'à mesure que le temps d'exposition augmente, la saturation des couleurs va changer, passant par exemple d'un ciel brun sur un instantané avec une balance des blancs manuelle sur l'herbe à un ciel rose sur une image exposée quelques dizaines de secondes. Cela n'a finalement aucune importance si vous pouvez corriger les couleurs sur ordinateur ou travaillez en mode RAW où toutes les corrections sont encore possibles après la prise de vue, par traitement d'image.

Modes d'expositions

En infrarouge, deux modes d'expositions sont possibles : en couleurs ou en noir et blanc. Disons tout de suite qu'il est préférable de travailler en couleurs et de traiter les images ensuite sur ordinateur car vous disposez ainsi d'une plus grande latitude de travail. On y reviendra.

En fonction de la bande passante du filtre placé sur l'objectif vous avez la possibilité d'enregistrer soit la totalité du spectre visible+IR (et sur certains modèles modifiés tout le spectre compris entre 330-1200 nm) soit uniquement le rayonnement IR. C'est uniquement en isolant le rayonnement IR que vous obtiendrez les images les plus contrastées (sans parler du traitement d'image que nous allons aborder).

Photographie noir et blanc

La photographie IR en N/B permet d'obtenir le même résultat que les photographies argentiques enregistrées sur film Agfa IR ou Ektachrome IR Aero qui se caractérisent par une impression étrange où la neige a enveloppé la végétation, les nuages se détachant sur un ciel devenu noir d'encre et où le paysage devenu irréel a pris de la profondeur.

A défaut de couleurs, c'est l'occasion de jouer avec la "lumière" et les ombres en recherchant des sujets contrastés, fortement et faiblement réflectifs en IR. Effet esthétique garanti.

A gauche et au centre, deux photographies infrarouges réalisées par Scho au moyen d'un APN compact Nikon Coolpix 950 équipé d'un filtre IR B+W 093 (gauche) et Hoya R-72 (centre). A droite, une image prise par l'auteur avec un Nikon D90 équipé d'un filtre Schott RG665. Exposition de 1/40e à f/22, 200 ISO. Les trois images ont été désaturées et le contraste corrigé. Il est difficile d'imaginer que dans les trois cas le paysage était estival et la végétation bien verte !

Vous obtiendrez une image N/B soit en travaillant directement en mode monochrome à la prise de vue soit en travaillant normalement en couleurs puis en désaturant l'image sur ordinateur. Les deux méthodes sont équivalentes car en mode N/B le logiciel de l'APN va également désaturer l'image mais nous verrons dans un instant que les deux méthodes ne donnent pas nécessairement des images de même qualité.

Vous obtiendrez également une image N/B si vous utilisez un filtre IR bloquant toute la lumière visible (Schott RG830, X-Nite 830, Kodak W87C, etc) et en effectuant une balance des blancs manuelle (voir plus bas) sur n'importe quel objet coloré de la scène (végétation, ciel bleu, etc).

Pourquoi dans ce cas obtient-on une image N/B ? Car en dehors du spectre visible, la grille de Bayer devient transparente; autrement dit les trois canaux RGB enregistrent le même niveau de luminance. Le processeur d'image ne percevant que des variations d'intensité lumineuse, il ne peut construire qu'une image N/B.

Notons que si vous utilisez un filtre IR laissant passer un peu de lumière (X-Nite 630, Schott RG665 ou Hoya R-72 par exemple), avec une balance des blancs manuelle sur un objet coloré le canal rouge va influencer l'image qui ne sera pas totalement désaturée. Certains objets ainsi que le ciel présenteront une légère teinte orangée ou brunâtre tandis que la végétation sera légèrement bleutée. On y reviendra.

En fait, si on peut facilement obtenir une image IR N/B, sa qualité va dépendre de plusieurs facteurs. La question devient technique et porte essentiellement sur le traitement d'image.

Trois photographies IR réalisés par l'auteur. A gauche et au centre deux photographies réalisées avec un APN Panasonic Lumix LX5 défiltré. A gauche, paysage de Bavière sous filtre X-Nite 830 et polarisant B+W Käseman. Pose de 1/20e à f/7.1, 80 ISO. Les sapins et les montagnes de conifères ne sont pas de bons sujets pour l'IR à moins qu'ils apportent des détails sombres dans un paysage clair. Au centre, le château de Neuschwanstein sous filtre X-Nite 630 et polarisant B+W Käseman. Exposition 1/120e à f/7.1, 80 ISO. A droite, paysage champêtre proche de Esch-sur-Sûre photographié avec un Nikon D90 muni d'un filtre interne Schott RG665 et équipé d'un objectif Nikon 16-85 mm. Exposition 1/80e à f/20, 200 ISO. Dans les trois cas, une balance manuelle des blancs a été effectuée sur l'herbe (verte) ensuite l'image a été désaturée sous Photoshop et le contraste accenté.

Qualité des images et bruit thermique

En photographie IR N/B nous ne pouvons plus ajuster les couleurs de l'image mais uniquement agir sur sa luminance, sa clarté ou luminosité. Cela s'effectue par le biais d'une correction du gamma (la courbe caractéristique) ou de la gamme de gris de l'image (la courbe de brillance également appelée les niveaux de gris ou Levels). Il est donc utile de connaître les caractéristiques d'une image pour savoir sur quel paramètre on peut agir pour obtenir tel ou tel effet.

Précisons tout d'abord que si vous travaillez en format JPEG, l'image risque de perdre une partie de ses détails dans l'algorithme de compression. En effet, les APN de dernière génération peuvent atteindre de très hautes résolutions (16 Mpixels et plus) mais parfois au détriment de la définition. C'est notamment le cas des APN compacts dont le format JPEG en qualité "Fine", celle présentant a priori la meilleure définition, présente des artefacts. Ils apparaissent dès qu'on atteint un agrandissement de 40 % à l'écran (16x sur le moniteur de l'APN) ou sur des impressions supérieures au format A4.

Comparaison entre les niveaux de compression d'une image JPEG dans sa plus haute résolution et en qualité "Fine"selon le modèle d'APN. A gauche de chaque comparatif, agrandissement d'une image prise avec un réflex Nikon D90 de 12 Mpixels, à droite une image prise avec un compact Panasonic Lumix TZ20 (ZS10) de 14 Mpixels.

Pour cette raison, si votre APN le permet il est préférable de travailler en format RAW, vous serez ainsi certain que l'image ne sera pas altérée par le logiciel de traitement d'image de l'APN et vous pourrez encore modifier les paramètres de la prise de vue sur ordinateur, notamment la balance des blancs, le contraste et la netteté.

Faut-il ou non effectuer la désaturation de l'image à la prise de vue ? Tout dépend si vous travaillez en JPEG ou en RAW, ce dernier format offrant beaucoup de flexibilité après la prise de vue. Pour obtenir des images N/B en format JPEG, il est recommandé de travailler sans compression (100 %) et en mode monochrome à la prise de vue pour plusieurs raisons touchant à la qualité de l'image finale.

Ces deux mosaïques présentent les changements subtils dans la gamme de gris selon le mode de prise de vue et le traitement appliqué à l'image IR. La mosaïque de gauche présente le résultat avant et après traitement de l'image IR couleur prise sous filtre Schott RG665 avec une balance des blancs sur le feuillage (gauche). L'image originale a ensuite été convertie en mode échelle de gris sous Photoshop (droite) puis la courbe de brillance a été corrigée (auto levels) et enfin le contraste du ciel a été corrigé manuellement. La mosaïque de droite présente 4 images prises sous filtres X-Nite 630 et polarisant B+W, balance des blancs sur le feuillage. La première (en haut à gauche) est une image monochrome au format RAW, les trois autres sont des images couleurs JPEG. Transformer immédiatement l'image couleur en échelle de gris (Mode Grayscale) évite l'apparition de bruit lors de la désaturation des canaux RGB (image en-dessous à gauche). Enfin, pour préserver au maximum l'échelle de gris et les détails de l'image, rien ne vaut de travailler en HDR. La 4e image résulte du traitement dans Photomatix Pro de 3 images IR couleurs exposées à -1 EV, 0 EV, +1 EV. L'image HDR fut ensuite convertie en échelle de gris sous Photoshop.

Comme on le voit sur les mosaïque présentées ci-dessus, convertir une image couleur en gamme de gris (grayscale) ou la désaturer en cours de traitement aura un effet différent. Outre une variation du contraste en fonction des corrections apportées aux canaux RGB, le phénomène le plus inesthétique est l'apparition de bruit thermique sur les images couleurs désaturées, principalement dans les zones grises ou les aplats de couleur uniforme (ciel). D'où vient ce bruit ?

Comme nous le verrons dans un instant à propos de la photographie IR couleur, la sensibilité spectrale d'un capteur CMOS ou CCD défiltré est déséquilibrée, le canal rouge recevant 7 à 12 % d'énergie IR supplémentaire que les deux autres canaux qui peuvent être sousexposés. 

Effet du traitement d'une image IR couleur sur le bruit thermique. La dernière image N/B correspond à l'image originale couleur convertie en mode Grayscale (Gamme de gris) et dont le contraste a été accentué.

Le filtre IR bloque également une partie de la lumière ce qui entraîne une réduction de la luminance (contraste) des couleurs. S'ajoute à cette limitation le fait qu'un filtre IR partiellement transparent à la lumière (X-Nite 630, Schott RG665, etc) contient beaucoup de rouge, rendant ce type de filtre plus sensible à ce type de bruit. Le phénomène va s'accentuer si on inverse les canaux R et B par traitement d'image.

Ainsi, comme on le voit à gauche, par traitement d'image en modifiant une couleur (tonalité, saturation) ou sa courbe de brillance (niveaux), par contre-effet le niveau de bruit peut augmenter dans un ou plusieurs canaux RGB. Cela passera inaperçu tant que les autres couleurs dominent ou n'ont pas été affectées.

C'est notamment l'effet qui se produit après avoir inversé les canaux R et B et réduit la dominante cyan du ciel pour lui donner une couleur plus neutre. Si on applique ensuite une correction automatique à la courbe de brillance (Auto Niveaux ou Auto-Levels sous Photoshop), passé un certain seuil l'image devient bruitée. Si vous désaturez l'image à ce moment là, le manque d'information dans les canaux RGB va se traduire par du bruit.

En conclusion, en photographie IR N/B, il est préférable de travailler en format RAW et de choisir le mode monochrome dès la prise de vue ou dès l'édition dans un logiciel de traitement d'image.

De plus, comme en général on recherche des images très contrastées, il est préférable de travailler avec des filtres opaques à la lumière, transmettant uniquement l'infrarouge à partir de 750 ou 830 nm de façon à réduire le bruit engendré par les couleurs et se focaliser sur la luminance.

Pour mémoire, rappelons que la plupart des logiciels effectuent une balance automatique des blancs quand ils convertissent une images couleurs en N/B. Cette balance est optimisée pour les images prises dans le spectre visible et ne donnent pas de bons résultats en IR, le contraste étant généralement trop accentué.

Prochain chapitre

Photographie IR couleur

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