La photographie numérique, son histoire et fonctionnement d'un APN

Un sujet présente rarement une gamme de contraste et de couleurs régulières d'un point à l'autre de la scène. Le sujet est généralement contrasté et lumineux alors que le fond est plus sombre, c'est par exemple le cas d'un sujet isolé sur une scène. Parfois c'est l'inverse, le sujet est petit et sombre et se profile sur un arrière-plan très lumineux, c'est notamment le cas des clichés pris à contre-jour. Enfin, il arrive que la scène soit si peu contrastée que seul le photographe sait où se trouve le sujet !

Il s'agit de conditions de prise de vue difficiles parfois extrêmes que tous les appareils ne sont pas capables de gérer. Mais généralement, tous disposent de programmes permettant de privilégier certaines modes d'exposition. C'est dans ce but que le viseur affiche différentes zones de mesures. Nous avons vu à propos du miroir et de l'autofocus qu'elles sont exploitées par des capteurs situés au-dessus du pentaprisme et sur le plancher de la chambre noire qui interceptent une partie du faisceau lumineux réfléchi par le miroir reflex.

Nous allons décrire les différents paramètres d'exposition qu'il est possible d'ajuster à la prise de vue.

Un APN dispose généralement de plusieurs modes de mesure d'exposition. Le premier mode est la mesure Spot qui consiste à effectuer une mesure sur le sujet principal, en pratique dans un cercle de 2-3 mm autour du centre qui représente 10% du champ visuel.

La mesure Spot s'utilise par exemple lorsque le sujet est isolé et bien éclairé (par ex. un personnage mis en valeur sur une scène plongée dans l'ombre ou un portrait sur fond clair). Le posemètre calculera un temps d'exposition correct pour cette zone sans s'occuper des zones extérieures qui seront vraisemblablement sous-exposées.

Le second mode est la mesure pondérée (centrale, normale ou étendue) où vous pouvez optionnellement favoriser certaines zones de l'image présélectionnées par le programme et mémoriser sa valeur avant de changer l'axe de visée. La mesure pondérée centrale couvre jusqu'à 60% du champ visuel. Sur les APN récents, le diamètre de la zone de mesure Spot et pondérée est ajustable.

Vient ensuite la mesure matricielle. Elle tient compte de la luminosité, du contraste et des tonalités de plusieurs zones différentes de l'image. C'est le programme le plus sophistiqué qui donne des images correctement exposées dans 99% des conditions. En effet, l'analyse matricielle utilise d'innombrables algorithmes pour déterminer l'exposition exacte en différents points de l'image qui varient entre 5 et 35 zones en fonction de l'appareil.

Avant l'avènement des APN, la mesure d'exposition était assurée par un posemètre basé sur une cellule au silicium. Depuis, l'analyse de la lumière est assurée par un véritable capteur CCD qu'on appelle un "système de reconnaissance de scène" ou plus simplement un capteur RGB.

Sur le Nikon D7000 par exemple, le capteur RGB est une matrice "3D couleur" constituée de 2016 pixels ou photosites (zones de mesures) mesurant environ 2 cm² dont l'amplitude de mesure atteint 20 EV. Ce capteur ne se réfère plus à 5 ou même 35 zones de mesures mais à plus de 330 zones regroupées en 9 grandes zones servant de base aux calculs.

La tâche de ce capteur consiste notamment à évaluer la couleur et l'intensité lumineuse du sujet. Chaque image est évaluée en tenant compte de 7 paramètres comprenant la brillance, la couleur, le contraste, la zone de mise au point et la distance du sujet. Cette évaluation se réfère à une base de données intégrée qui reprend les paramètres de plus de 30000 images réelles ! Ainsi, si un crépuscule et un ciel couvert par exemple présentent la même luminosité, le capteur se basera sur la couleur et éventuellement la distance pour optimiser le temps d'exposition pour chaque situation.

Sur le D7000, ce capteur RGB assure également les fonctions de suivi de l'Autofocus, l'analyse des hautes lumières, l'identification du sujet, la détection des visages (35 visages) en mode Life View, ces deux dernières fonctions étant également assurées par le capteur d'image.

Ce mode matriciel est idéal pour photographier une scène présentant par exemple de forts contrastes (une rue ou un objet à moitié plongée dans l'ombre ou un contre-jour comme un coucher de Soleil ou une scène sportive).

Pour le pourcent de sujet critique, il vous reste un quatrième mode, passer en manuel et mémoriser plusieurs zones que vous jugez critique et faites-en la moyenne, quitte à jouer sur l'ouverture ou la vitesse pour accentuer telle ou telle zone. En effet, il ne faut pas tomber dans le piège de faire une simple moyenne sur un gris neutre à 18% au risque d'avoir des images grises et sans profondeur. Enfin, en dernier recours, il vous reste le "bracketing" que nous verrons dans un instant.

Malgré ces différents modes tous très intelligents, si le contraste est très violent et atteint 8 ou 10 EV entre les zones les plus claires et les plus sombres, il n'y aura pas de miracle, une partie de l'image restera sur ou sous-exposée. On y reviendra à propos de la photographie du Soleil couchant.

En général, il est plus facile de récupérer par traitement d'image une zone légèrement surexposée qu'une zone sous-exposée car la première contient beaucoup plus d'information que la seconde. Une zone sous-exposée sera également peu colorée et bruitée, toute accentuation faisant rapidement apparaître le bruit électronique et/ou thermique. Certains photographes préfèrent également surexposer certaines zones de l'image afin que les zones sombres présentent un peu de détail. Enfin, le format RAW présentant une dynamique supérieure au format JPEG, il donnera de meilleures résultats sur les sujets forts contrastés qu'une image JPEG.

Dans les APN d'entrée de gamme, la mesure matricielle utilise seulement trois zones de mesure distribuées dans la région centrale. Elles sont généralement exploitées par le programme le plus automatisé (mode "auto"). D'autres modèles divisent le champ en 5 segments (par ex. le Sony Alpha DSLR-A100). Le Canon EOS 5D est plus sophistiqué. Son viseur contient 35 points de mesure situés autour du centre qui rappellent le système de mesure du modèle 1D. Il peut également effectuer une mesure "spot" classique au centre de l'image ou corréler ses mesures avec les 15 points de mesure de l'autofocus.

Enfin, rappelons que tous les APN proposent après la prise de vue un histogramme RGB et de la luminance de l'image. Il permet de vérifier la distribution des niveaux des pixels et de déterminer si certaines zones sont sur ou sous-exposées et dans quelle proportion. Si le déséquilibre est trop important ou les courbes coupées avant le sommet, vous avez ainsi l'opportunité de rephotographier le sujet en modifiant les paramètres de la prise de vue et pourquoi pas, le mode d'exposition.

La compension d'exposition permet de définir les variations possibles d'expositions d'un capteur photosensible. On peut l'exprimer en "stop" (ou F-stops ou encore f/) ou en valeur d'exposition (EV), équivalent à l'indice de luminance (IL) en français. Cette échelle est exponentielle. Entre chaque "stop", ce qui revient à dire entre chaque vitesse d'obturation ou rapport d'ouverture, le temps d'exposition double (ou est divisé par deux dans l'autre sens).

Voici par exemple un tableau dans lequel nous avons défini que pour une sensibilité donnée le couple vitesse/diaphragme (par ex. f/2 à 1/250^e s) offrait une exposition correcte :

EV	-2	-1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6	+7	+8	+9	+10	+11	+12
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/2 à f/5.6, pour obtenir la même luminance, l'exposition devra être compensée de +3 EV ou 3 stops, c'est-à-dire que le temps d'exposition devra être multiplié par 2³ soit 8 fois plus lent, passant dans notre exemple de 1/250^e à 1/30^e de seconde.

La compensation d'exposition est principalement utilisée lorsque le posemètre risque d'être trompé par un élément lumineux (photo à contre-jour, champ de neige, etc) et qu'on souhaite préserver les détails dans les basses lumières (ombres). Cette correction est utilisée avec la fonction "bracketing" (voir plus bas).

Précisons que les valeurs de compensations sont parfois données par les fabricants de filtres lorsque le client ignore l'impact du filtre sur le temps d'exposition, par exemple avec l'utilisation d'un filtre neutre dense ou d'un filtre infrarouge. On apprend ainsi qu'un filtre Kodak W89B engendre une compensation de +2 EV ou 2 stops, soit un temps d'exposition 4 fois plus long comparé à une prise de vue sans filtre.

Notons qu'on retrouve cette notion de stop en astrophotographie quand on photographie deux astres ayant une magnitude apparente très différente, par exemple la conjonction entre la Lune et une planète ou entre deux planètes. Si par exemple Jupiter présente une magnitude apparente de -1.97 et Saturne de +1.41, la différence de magnitude indique que Saturne est 22 fois plus pâle que Jupiter. Pour l'exposer de la même manière que Jupiter il faut compenser l'exposition de 2.5 stops. Par conséquent, l'image résultante sera un compositage comme on le voit ci-dessus.

Il s'agit de la distribution de la puissance spectrale de la lumière. Elle s'exprime en Kelvin. Toutefois, en photographie la température de couleur ne fait pas référence au concept utilisé en physique ou en colorimétrie (corps noir). Elle en applique seulement l'échelle et limite son usage à l'intensité relative des couleurs bleue et rouge.

Un APN offre généralement une liste prédéterminée de température de couleurs adaptées à la plupart des sources lumineuses. En effet, la couleur du Soleil (à midi) sert souvent d'étalon en photographie. Il présente une température de couleur effective de 5770 K. Sa lumière est dite "blanche", c'est-à-dire n'engendrant aucune dominante.

A l'inverse, un éclairage artificiel comme une ampoule au tungstène ou un spot halogène par exemple présente des raies d'émission donnant une tonalité chaude et orange aux images (2600-3400 K) tandis qu'une lampe à arc ou une LED donne une tonalité froide (7000 K) comme indiqué sur le schéma présenté à gauche.

Pour supprimer ou plutôt neutraliser cette dominante souvent inesthétique, il faut soit utiliser un filtre correcteur dit compensateur de couleur (sur les appareils photos argentiques) soit modifier la température de couleur à laquelle se réfère le capteur photosensible.

En photo argentique, il existe un tableau qui décrit le filtre Kodak à utiliser en fonction de l'écart dE exprimé en mireds selon la formule suivante :

avec T1, la température recherchée (5500 K) et T2 la température à corriger.

Par exemple, pour une lumière T2 = 3800 K, dE = -81.3. Le tableau fournit par Kodak indique que pour un écart de -81 mireds par rapport à la lumière blanche il faut utiliser un filtre correcteur W80C. Il entraîne une compensation d'exposition de +1 EV.

Avec les APN, la méthode est simplifiée et on peut heureusement se passer des filtres correcteurs ou compensateurs. Un APN comme le Canon EOS 5D par exemple présente jusqu'à 9 préselections : Lumière du jour, Ombre, Nuages/Crépuscule/Coucher de Soleil, Tungstène, Blanc, Fluorescent, Flash, Custom et Température de Couleur. Ces présélections conviennent pour la plupart des prises de vues en extérieur comme en intérieur.

Cependant, il y a des conditions de prises de vue où la lumière est plus nuancée que ces valeurs prédéfinies. Dans ce cas, l'APN permet également de sélectionner manuellement une température de couleur entre 2000 et 10000 K par incrément de 100 K ou d'effectuer ce qu'on appelle une "balance manuelle des blancs" pour obtenir un blanc de référence.

On reviendra sur la température de couleur à propos de l'usage du flash car tous les modèles ne sont pas étalonnés sur les mêmes standards.

Cette fonction s'avère utile lorsque le sujet baigne dans une dominante orange, verte ou bleutée par exemple lorsqu'il est exposé à une lumière différente de celle du jour. L'effet est évident : toutes les couleurs sont affectées et leur tonalité se décale vers la dominante. C'est par exemple le cas pour toutes les photographies de natures mortes ou d'intérieur réalisées à la lumière artificielle.

Mais l'effet peut être pervers lorsque la lumière ambiante est importante. Quand l'objet est de couleur complémentaire à celui de l'éclairage, il va devenir noir par synthèse soustractive. C'est notamment le cas des objets rouges-oranges exposés à la lumière verte des lampes au mercure à haute pression ou des objets bleus-verdâtres exposés aux lampes au sodium basse pression. A l'inverse, si l'objet et la dominante ont la même tonalité, l'objet va réfléchir sa propre couleur, il deviendra blanc et donc pratiquement invisible.

Auparavant les photographes n'avaient pas d'autres choix que d'utiliser des filtres compensateurs de couleur (Kodak Wratten et autre Cokin). Aujourd'hui, pour pallier à ce problème les APN proposent des fonctions numériquement équivalentes et même beaucoup plus complètes.

L'utilisateur a le choix parmi plusieurs méthodes. Il y a tout d'abord la balance des blancs automatique (AWB) où vous faites confiance à l'appareil à travers la mesure TTL. Malheureusement, quelques APN d'entrée de gamme et notamment le Nikon D40 éprouvent des difficultés pour établir automatiquement la balance des blancs sur l'éclairage incandescent (lampes à fil de tungestène), leur donnant généralement une couleur trop chaude.

Dans ce cas, vous pouvez choisir des valeurs présélectionnées de balance des blancs qui jouent en fait sur la température de couleur de sources standards. Comme expliqué ci-dessus, il s'agit des réglages de lumière prédéterminés et convenant à la plupart des prises de vues. Comme on pouvait l'espérer, dans ce mode même le Nikon D40 dont les performances générales sont limitées donne de bons résultats.

Vous pouvez également effectuer un réglage manuel de la balance des blancs. En pratique, il suffit d'activer cette option dans le menu ou via une commande directe au dos de l'APN, de viser une surface jugée neutre ou colorée et de mémoriser l'information. Dorénavant le système considérera le "blanc" que vous avez choisi comme le blanc de référence, peu importe sa température de couleur réelle. C'est une option très utile pour les photos d'intérieur ou sous filtre coloré, notamment en photographie en proche infrarouge ainsi qu'en photographie sous-marine.

Le "bracketing" est une correction d'exposition qui est généralement utilisée danss des conditions de lumière difficiles : contre-jour, trop peu de lumière ambiante, trop de réverbération, etc. Elle permet d'entourer les valeurs nominales d'exposition par des valeurs légèrement décalées d'ouverture ou de vitesse variant par unité, demi ou tiers d'EV ou IL, par exemple entre +2 EV (surexposition) et -2 EV (sous-exposition).

La durée d'exposition varie donc en conséquence : "+2 EV" multiplie le temps d'exposition par 4, "-1 EV" le divise par 2. Dans le cas de scènes animées, c'est donc un mode à déconseiller, sauf si vous recherchez un effet spécial.

Sur la plupart des APN, grâce à la fonction "bracketing" il est également possible d'encadrer ou de s'écarter de la balance des blancs vers une ou plusieurs couleurs (selon 2 axes par exemple sur l'animation du Canon EOS 20D présentée à droite et des valeurs comprises entre -9 et +9 EV en 19 incréments dans ce modèle).

Bien sûr si vous avez un mélange de lampes à haute et basse pression et des néons comme cela peut être le cas dans les lieux publics, il n'y aura pas de miracles. Soit vous remplacez ou éteignez les lampes dont la température de couleur est trop démarquée de la lumière ambiante soit vous corrigez la lumière dominante. Vous obtiendrez des images sur lesquelles les principales sources lumineuses seront blanches avec ci et là des sources verdâtres ou orangées selon les raies spectrales en émission que présentent ces lumières et que la balance des blancs n'a évidemment pas été capable de neutraliser.

Toutefois, par traitement d'image et notamment grâce à la technologie "U Point" et autre balance des blancs multipoints, on peut neutraliser ces dominantes.

Enfin, depuis quelques années, le bracketing est également proposé sur certains APN de milieu et haut de gamme pour la mise au point en mode macro, l'intensité du flash et la température de couleur.

Mentionnons pour les amateurs intéressés par les automatismes que certains APN sophistiqués permettent de sauvegarder les réglages de l'appareil et de les rappeler à la demande. Deux à quatre modes de prise de vue peuvent ainsi être rappelés instantanément au moyen d'une bague de présélection.

Le but est de permettre au photographe de simplifier ses prises de vues en lui évitant de revérifier à chaque séance de photo les paramètres qu'il utilise fréquemment comme le temps de pose, l'ouverture, la sensibilité, le mode de mise au point, la réduction de bruit, le format d'image, etc.

Sur le Nikon D200 par exemple, cette option se trouve dans le menu "Config / Réglages récents" qui permet de mémoriser une liste de 14 réglages essentiels dans les 4 principaux menus. Généralement la liste comprend les réglages suivants : optimisation d'image, espace de couleur, réduction du bruit, sensibilité, compensation d'exposition, type de mesure pondérée, mode d'exposition, mesure d'exposition, mode d'autofocus, zone d'autofocus, cadence, délai de prise de vue, synchronisation du flash, mode de mise au point, qualité d'image, format d'image et éventuellement la correction d'exposition, la prise de vue (dont le nom du fichier) et le réglage personnel (nous aurions aussi pu dire de choisir les sous-menus b1, b2, b5, etc, comme le font certains amateurs, par référence aux indications reprises dans les menus, faisant parfois ressembler certaines discussions à une partie de jeu d'échec !).

Ces paramètres peuvent être associés à l'une des quatre préselections du mode automatique (A, B, C, D) et il devient ainsi très facile de réaliser des images dans les mêmes conditions instrumentales (même si certains puristes vous diront qu'ils vérifient toujours les 250 paramètres de leur APN avant une nouvelle séance de prises de vues).

A l'ère de l'informatique et de la programmation, c'est une fonction qui est trop rarement implémentée et qui méritait d'être rappelée au bon souvenir des constructeurs car une fois qu'on y a goûté on ne peut plus s'en passer; il n'y pas de raison que seuls les informaticiens soient paresseux !