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Le gamma en photo numérique

 

Le gamma

Publié le 15 avril 2015   |  Mis à jour le 26 décembre 2020

 

Notre œil, comme nos écrans, "possède" un gamma ! Dans les deux cas cela veut simplement dire qu'ils ne réagissent pas à la lumière de manière linéaire. What ?! En fait, notre œil n'est pas également sensible à la même augmentation de lumière quand il est dans une pièce sombre et quand il est en plein soleil. Dit autrement, il ne perçoit pas les différences de luminosité de la même manière selon l’environnement lumineux dans lequel il est plongé. Allumez une deuxième bougie dans une pièce peu éclairée et vous verrez davantage de lumière MAIS pas deux fois plus. Si, Si, je vous assure ! Maintenant, allumez la même bougie dans la même pièce mais en plein jour : cela ne changera pas grand chose et pourtant vous apporterez autant de lumière que dans la pièce sombre. Étonnant non, même si on n'y fait plus attention et quelles en sont les applications pratiques en photo et vidéo ?


C'est surtout lorsque l'on parle d'écrans photo que l'on utilise la notion de gamma même si cette notion existe à propos de nos appareils photo et nos photos. Il est donc important maintenant de se pencher sur ce vocable pour mieux comprendre l'œil et la vision humaine et ainsi décider, en toute connaissance de cause, le gamma que l'on choisira au moment de calibrer notre écran pour un usage photo ou vidéo : 1,8, 2,2, 2,4, L* ? Au passage, nous nous interrogerons sur le rendu si particulier d'une photo HDR et des particularités des écrans lors de la diffusion de vidéos HDR.


 

Vocabulaire et notions générales à propos du gamma

Le vocabulaire de la gestion des couleurs regorge de nouveautés par rapport au vocabulaire que l'on employait dans un laboratoire argentique : on parle maintenant de gamma, de courbe de réponse...

Vocabulaire : qu'est-ce que le gamma ?

Courbe de gamma 2,2La notion de gamma - d'un œil, d'un écran, d'un fichier image, d'un capteur d'appareil photo ou d'un scanner - est une notion qui revient régulièrement dans le vocabulaire de la gestion des couleurs, notamment au moment du calibrage de l'écran. C'est tout simplement une courbe mathématique (une fonction non linéaire - image ci-contre) qui permet de connaître le lien - la corrélation - qu'il y a entre un signal émis (la lumière perçue représentée sur l'axe des abscisses) et la réponse d'un capteur, (par exemple notre œil, sur l'axe des ordonnées). Cette fonction s'écrit sous la forme :

Signal de sortie = signal d'entrée gamma

(Le signal de sortie est égal au signal d'entrée élevé à la puissance gamma)

 

Fondamental ! En effet, notre œil a une particularité singulière : il n'a pas la même sensibilité (ici en quantité) à une augmentation ou une diminution de lumière selon qu'il regarde quelque chose de sombre ou clair. Dit autrement, il ne va pas percevoir de la même façon une différence de luminosité entre deux valeurs de gris par exemple selon que cela concerne des gris foncés ou des gris clairs.

a) Sa sensibilité à une différence d'éclairage est non linéaire - Imaginons que vous soyez dans une pièce normalement éclairée. Imaginons maintenant que nous soyons capables d'augmenter (d'éclairer) de +100 lumens uniquement les parties sombres de la pièce. Vous allez de suite voir la différence car cette différence se fait dans les parties sombres. Maintenant imaginons que nous augmentions cette fois-ci la luminosité, toujours de 100 lumens, mais sur des objets très éclairés alors vous verrez à peine la différence ! Ainsi, la même augmentation de luminance sur des objets sombres ou clairs n'est pas perçue à l'identique. Donc on peut dire que l'œil possède un "gamma" car sa sensibilité à la lumière est progressive.

La réponse de l'œil à la lumière est singulière : elle est non linéaire.
 

On peut également en déduire que si on augmente un peu la luminosité d'une pièce sombre on verra immédiatement la différence alors que cette même augmentation passera inaperçue dans une pièce claire et pourtant on aura bien ajouté la même quantité de lumière. L'œil est en effet beaucoup plus sensible aux faibles différences de luminosité dans les ambiances sombres que claires.

b) Sa non linéarité est elle-même non constante donc "différente" selon que l'on est dans un environnement très sombre, moyennement éclairé ou en plein soleil - Il découle une conséquence de cette non linéarité selon les environnements lumineux : sa perception de différence de luminosités diffère également selon les ambiances lumineuses (claires ou sombres) comme le montrent les figures ci-dessous :

   
  Différence de perception de l'oeil selon l'environnement lumineux
Les deux carrés gris, sur fond blanc et noir ont les mêmes valeurs RVB à gauche comme à droite. Leur différence donc leur contraste est perçu différemment : sur fond blanc, leur différence semble plus importante que sur fond noir (plus de contraste).
   
 

Note pratique ! Le cas ci-dessus est un cas qui montre cette différence dans un cas de fort contraste. C'est plus parlant. Mais une différence réelle même si moins "spectaculaire" serait perçue avec un fond gris clair / gris foncé. Enfin, regardez cette même figure pendant une journée ensoleillée puis la nuit et (sauf si votre mémoire vous fait défaut !) vous percevrez la différence différemment.

c) Conclusion : l'œil humain possède une réponse non linéaire à la lumière et son gamma varie en permanence selon l'environnement lumineux et le contraste de la scène visualisée. On dit ainsi que le gamma de l’œil varie de 2 à 3 selon les cas de figures en passant par le fameux 2,2 devant un écran pas trop lumineux et dans une pièce "normalement" éclairée. 

La réponse de l'œil à la lumière n'est donc pas non seulement linéaire pour un environnement lumineux donné mais cette sensibilité non linéaire évolue également selon qu'il est dans un environnement sombre ou clair.
 

Le gamma de l'œil varie donc en permanence par nature et selon l'environnement lumineux de la scène visualisée. Ainsi, il est différent un jour de brouillard et en plein soleil ou bien devant un écran dans une pièce "normalement" éclairée ou dans une pièce très sombre quand il regarde un tirage photo. Il varie environ de 2 à 3 en passant par le fameux 2,2 devant un écran dans une pièce moyennement éclairée. Voilà une particularité étonnante de l'œil humain mais il s'agit plus d'une particularité du corps humain et pas seulement de son œil. Cette caractéristique permet au corps humain de percevoir d'importantes différences sans saturer trop vite ses capteurs sensoriels.

Comment choisir son gamma dans la pratique ?

Plusieurs courbes de gamma : 1,8, 2,2, 2,4 et 2,6Eh bien nous allons choisir notre gamma écran au moment de son calibrage différemment selon notre usage (photo ou vidéo) mais surtout, vous l'aurez maintenant compris, selon l'ambiance lumineuse de votre pièce. Il se trouve que le "fameux" gamma de 2,2 est celui qui convient très souvent le mieux pour regarder son écran dans une pièce "normalement" éclairée mais il peut y avoir des nuances :

a) Usage Photo - Le conseil pratique est d'utiliser un gamma de 2,2 et il faut bien reconnaître que cela fonctionne très bien. Veillez juste alors à retoucher vos photos dans un environnement pas trop lumineux. Comment faire ? Si votre écran est calibré à 100 cd/m2, votre écran ne doit vous apparaître trop sombre. Si c'est le cas, demandez-vous s'il ne vaudrait pas mieux atténuer la luminosité de la pièce plutôt qu'augmenter la luminosité de votre écran.

b) Usage Vidéo - Ce n'est pas par hasard si l'espace couleur Rec. 709 préconise d'utiliser un gamma de 2,4 et le DCI-P3 préconise 2,6. En effet, les préconisateurs des normes ont considéré, à mon avis à juste titre, que quand on regarde une vidéo, on est souvent dans un environnement sombre voire dans un environnement très feutré si on est devant sa télévision pour regarder un film. Un gamma à 2,4 va ainsi redonner un peu de pêche à vos images en renforçant les noirs. Pour le DCI-P3 on part du principe que l'on va regarder le film dans un environnement de cinéma ou home cinéma (salle plongée dans le noir et murs noirs ou du moins très sombre) et alors le gamma est totalement approprié si l'on tient compte des spécifications de œil décrites plus haut.

La dynamique de l'œil

Pour s'adapter à des environnements lumineux différents tout en continuant à voir quelque chose sans saturer trop vite ses cellules nerveuses, l'œil possède également un appendice indispensable : l'iris. Il officie comme un diaphragme dans un appareil photo en laissant passer plus ou moins de lumière. Celui-ci peut s'ouvrir (lentement) et se fermer (presque instantanément) quand la variation de lumière est trop importante - quand on sort d'une pièce où l'on est resté assez longtemps en plein été, par exemple. Dans ces conditions, l'iris mesure environ un millimètre de diamètre et laisse donc passer moins la lumière alors que la nuit, après un bon quart d'heure d'adaptation, l'iris complètement ouvert mesure six à sept millimètres de diamètre. Or pour un diamètre d'iris donné (de 1 à 7 mm), l'œil est capable de voir environ 14-16 diaphragmes équivalent photo (selon le contraste de la scène et l'environnement lumineux - clair ou sombre - comme nous venons de le voir ci-dessus) et cela, donc, sur une amplitude totale d'environ 24 à 26 diaphragmes. L'amplitude absolue de l'œil "est" donc de 26 diaphs environ mais, grâce à l'iris, à chaque instant, de seulement 14/16 diaphs maximum. En cd/m2 ou en lux cela représente une dynamique de 100 000 : 1 à chaque instant mais sur une échelle absolue de plus de 1 000 000 : 1. C'est cette amplitude que devra essayer de reproduire un écran vidéo HDR !
Rappelons que les meilleurs appareils photo numériques aujourd'hui sont capables de photographier 13/14 diaphs notamment le fameux Nikon D850 mais aussi le Pentax 645Z ou encore l'Hasselblad 50C !

 

Un peu de mesures !  Un œil "moyen" peut percevoir une lumière à partir de 0,001 lux et cela jusqu'à 10000 lux soit un rapport de 1 pour 10 millions (1:10 000 000) ce qui nous donne environ 26 diaphragmes.


Donc pourquoi les images HDR ont ce rendu si caractéristique ?

Eh bien tout simplement parce que le gamma de l'œil qui regarde un écran n'est pas le même que celui de ce même œil quand il était devant la scène photographiée. Certes, par le procédé technique HDR où l'on essaie de fusionner de nombreuses images ensemble (il n'est pas rare de fusionner 6 photos avec un écart de un diaphragme entre deux prises) on peut "récupérer" une dynamique "folle" de plus de 16 diaphragme mais comme on essaie de la visualiser avec un gamma de 2,2 donc inadapté pour visualiser plus de 16 diaphragmes les images ont ce rendu si particulier. L'image semble, en effet, peu contrastée, un peu bizarre. HDR quoi !

   
Des photos avec ou sans rendu HDR à partir de la même photo
   
 

Donc dit autrement, une photo avec beaucoup de dynamique - plus de 14/15 diaphragmes - aura toujours ce rendu typique affichée sur nos écrans à gamma fixe.

Une image HDR aura toujours ce rendu un peu bizarre, "HDR", affichée sur un écran à gamma fixe d'environ 2,2.
 

Courbes de réponse et gamma

Courbes de gammaAinsi, si j'envoie vers mon œil un signal lumineux situé exactement entre 0 et 255 donc à 128, (niveaux mini et maxi qu'il peut voir), il aura la sensation de voir un gris plutôt foncé autour de 0,2 sur une échelle de 0 à 1 et non 0,5 comme on pourrait le penser. On applique donc cette correction aux signaux que l'on envoie aux cartes graphiques pour s'adapter à cette particularité de l'œil (et historiquement, à une particularité des écrans cathodiques à canon à électrons.)
Seuls les fichiers bruts - RAW - des APN possèdent un gamma de 1 car leurs capteurs possèdent une réponse linéaire à la lumière qu'ils reçoivent (courbe bleue). Cela est important à savoir si l'on photographie en RAW. Cela est important à savoir si l'on photographie en RAW mais ils ne sont jamais montrés ainsi mais directement avec une courbe de gamma adaptée à l’œil (sauf exception comme DPP pur Canon par exemple).

   
 
 

Contrôle du gamma
de son écran

Ce test du gamma visuel de votre écran montre des échantillons gris carrés avec le niveau du gamma écrit à l'intérieur qui semblent se fondre dans l'image à damier qui sert de fond. Si vous vous éloignez suffisamment de votre écran - environ un mètre - vous constaterez qu'un ou deux échantillons semblent disparaître dans le fond de l'image et la zone semblera devenir uniforme. À cette distance d'observation, il suffira de repérer la zone - donc le gamma - qui semble la plus homogène et qui ne permet plus de distinguer les pastilles du fond.


Test de vérification du gamma d'un écran


Cherchez la pastille qui s'efface dans le fond de l'image. C'est un test amusant si on le compare au gamma que l'on a choisi lors du calibrage. Il y a souvent un léger décalage, peu gênant à vrai dire et cela permet de montrer que, là encore, Eizo est au-dessus du lot !

Note d'utilisation ! Le test visuel ci-dessus a été réalisé pour les écrans dont la résolution varie entre 94 et 110 dpi (FullHD, QHD ou WQHD). Pour qu'il fonctionne avec les écrans 4K, 5K, UHD, iPad, tablettes et autres dalles très hautes définitions, il faut absolument utiliser la définition native de votre écran (affichage à 100%). Sur les tablettes type iPad, cela ne fonctionne pas car on ne peut pas modifier les préférences d'affichage de l'écran.

 
     
 


 

 

Courbes gamma et télévision ou vidéo HDR

Pour améliorer le contraste affiché sur les télévisions ou les moniteurs vidéo lors de la diffusion de programmes HDR, les normes ont évolué car les besoins ne sont pas du tout les mêmes que pour les photographes. Certes, on parle toujours de HDR mais les implications sont beaucoup plus nombreuses. Ainsi, on ne parle plus vraiment de gamma à 2,2, 2,4 ou 2,6 mais de gamma logarithmique (comme si les autres ne l'étaient pas !) avec des courbes PQ (Perceptual Quantization) ou HLG (Hybrid log-Gamma). L'objectif étant d'afficher les hautes lumières avec encore plus de "pêche" notamment. J'en reparle longuement dans mon dossier HDR en vidéo

 

Poursuivons avec le vocabulaire spécifique de la gestion des couleurs avec les espaces colorimétriques ou espaces couleurs - 5 / 10   Suivre

   
 
 

À retenir !


 Le gamma de l'œil varie beaucoup selon l'environnement lumineux : clair ou sombre, contrasté ou pas. 

 Il est proche de 2,2 quand il regarde un écran dans une pièce moyennement éclairée. Voilà pourquoi la plupart des écrans sont fabriqués pour reproduire par défaut le fameux gamma 2,2 mais cela peut varier en vidéo entre 2,0 et 2,6.

 Il est plutôt de 1,8 quand il regarde un livre. Les écrans Art Graphique, pour les pro de l'imprimerie par exemple, sont donc surtout en 1,8.

 Il est plutôt de 2,4 ou 2,6 quand on regarde une vidéo car on est censé être dans le noir. Ainsi les images sont plus denses et les couleurs plus saturées.

 
     
 
 
À travers ces 11 pages et trois vidéos gratuites nous allons apprendre tout le vocabulaire lié à la gestion des couleurs : espaces couleurs, profils ICC, gamuts, etc...
 
- Introduction à la gestion des couleurs
- L’œil et la perception des couleurs
- Les couleurs et l'informatique
- Le gamma - 4 / 10 -
màj déc. 2020
  1 - Le vocabulaire et les notions générales
2 - Gamma et vidéo
3 - Le test de gamma
4 - À retenir ...

Les espaces couleurs
- Les profils ICC
- Attribuer un profil ICC
- Convertir une image
- Modes de conversion : relatif ou perceptif ?
- Qu'est-ce que le calibrage ?!

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