Correction gamma

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En photographie, cinématographie et vidéo, le gamma caractérise le rendu en contraste d'un support photosensible (émulsion photographique ou pellicule, capteur CCD ou CMOS...) ou d'un signal visuel électronique.

Du fait de la non linéarité des tubes cathodiques, une correction de gamma est nécessaire dans le traitement des images vidéo.

En photographie et cinématographie[modifier | modifier le code]

Courbe caractéristique d'un négatif.
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Le gamma, ou facteur de contraste, caractérise la pente de partie rectiligne de la courbe de Hurter-Driffield, ou sensitogramme, qui trace la densité D (ou le logarithme de l'opacité) de l'image d'un film suivant le logarithme de la lumination H reçue par lui. La lumination, parfois appelée exposition, est le produit de l'éclairement reçu par l'émulsion photographique par le temps d'exposition. Sa formule générale est donc :

{\gamma}=\frac{\vartriangle{D}}{\vartriangle{LogH}}

Les valeurs des points de la courbe à prendre en considération dépendent des émulsions (noir et blanc, négative, inversible) et des normes utilisées (Agfa, Kodak...).

Cette pente caractérise donc le contraste de l'émulsion : plus elle est élevée, plus l'émulsion est contrastée et inversement.

Une émulsion négative (destinée à produire un négatif) a un gamma négatif puisqu'elle s'opacifie avec lumière, à l'inverse une émulsion inversible (diapositive) a un gamma positif.

Le contraste varie dans le pied et dans l'épaule de la courbe, mais le gamma est calculé sur la partie rectiligne uniquement.

On note également que dans le cas d'un tirage papier en photographie ou d'un tirage positif en cinématographie, le contraste apparent de l'image observée est le produit du gamma de l'émulsion utilisée à la prise de vue et de celui du support de tirage. Ainsi, un transfert correct est assuré lorsque le produit de ces gamma est égal à 1.

En photographie inversible (diapositive) et cinématographie, et afin de compenser la perte de contraste de la projection, le gamma des émulsions positives est typiquement supérieur à 1. Aussi, celui des négatives est typiquement inférieur à 1.

En vidéo et imagerie électronique[modifier | modifier le code]

Caractéristique de transfert et correction des tubes cathodiques

Le terme gamma provoque souvent des confusions, parce qu'il désigne deux grandeurs distinctes[1] :

La caractéristique de transfert d'un transducteur optique électronique 
C'est la relation entre l'éclairement, si c'est un capteur, ou la luminance, si c'est un radiateur (comme un écran de télévision), et la tension à ses bornes. Elle n'est pas linéaire quand le transducteur est à tube. Le gamma est la pente de la droite qui représente le mieux la caractéristique du tube dans sa partie utile sur un graphique à échelles logarithmiques[2]. Ce gamma transpose exactement celui de la photographie.
La correction de gamma 
C'est l'amplification non linéaire que l'on applique au signal électrique avant la transmission pour obtenir un rendu satisfaisant[2]. Cet ajustement volontaire de la caractéristique du signal n'a pas de rapport nécessaire avec le précédent. Même si les transducteurs sont linéaires, le bruit de fond est moins visible avec un encodage non-linéaire. La correction de gamma peut se comprendre comme un moyen de transmettre non pas la luminance physique d'un objet, mais sa luminosité perçue.

Si on représente d'ordinaire la fonction de transfert d'opacité des émulsions photographiques sur une échelle logarithmique, dans les systèmes vidéo, particulièrement à tube cathodique, on présente la tension en entrée et la luminosité en sortie sur une échelle linéaire. En conséquence, la caractéristique de gamma, qui représente au fond exactement la même chose qu'en film, est une relation suivant une loi de puissance approchant la relation liant l'amplitude de la luminance (en volt) d’un signal de télévision et la luminance (en cd/m²) réelle de l'image sur l'écran à tube cathodique.

Gamma d'un transducteur[modifier | modifier le code]

Un tube cathodique (ou CRT, cathode ray tube), par exemple, convertit un signal vidéo en lumière de façon non linéaire, car le canon d'électrons qu'il contient est un dispositif à réponse non linéaire. Il en va de même pour les tubes capteur des anciennes caméras. L'intensité de lumière I est liée à la tension source VS suivant la formule approchée :

I \approx k . V_{\rm S}{}^{\gamma}

γ est la lettre grecque gamma, et k une constante dépendant de l'alimentation de chauffage du canon à électrons, et du luminophore utilisé, le gain étant contrôlé par la tension d'accélération. Pour un tube cathodique, γ vaut environ 2,5.

Par simplicité, considérons l'exemple d'un tube monochrome. Dans ce cas, quand un signal vidéo de 0,5 (représentant le gris médian) alimente l'affichage, l'intensité ou brillance perçue n'est que de 0,21 environ (ce qui donne un gris sombre). Le noir pur (0,0) et le blanc pur (1,0) sont les seuls tons qui ne soient pas affectés par l’exposant gamma.

Les caractéristiques de gamma dépendent des capteurs et des écrans et sont traitées dans l'appareil qui les contient, de façon à ce qu'ils produisent, soit le signal, soit la luminosité prévue par la norme de transmission.

Correction de gamma[modifier | modifier le code]

Le meilleur rendu de l'image ne s'obtient pas, en général, avec une transmission linéaire de la luminosité. Avec une caractéristique non-linéaire, le bruit de fond est moins apparent, et l'augmentation du contraste dans les hautes et moyennes lumières donne une impression de précision, sans faire disparaître totalement les détails dans les ombres.

La correction de gamma ne compense pas principalement les non-linéarités des capteurs et des écrans, elle donne, exactement comme en photographie, une meilleure qualité d'image. En d'autres termes, le signal transmis subit une distorsion délibérée. On résume cette distorsion par une autre fonction gamma :

V_{\rm C} \approx k' . \frac{V_{\rm S}{}^{(1/\gamma)}}{k}

VC est la tension corrigée et VS est la tension source , et k’/k une constante de gain. Pour la télévision, la Rec. 709 prévoit un γ de 2,2.

Un tube cathodique couleur reçoit trois signaux vidéo (rouge, vert et bleu) et en général chaque couleur a sa propre valeur de gamma, notée γR, γV ou γB. Cependant, dans les affichages les plus simples, une seule valeur de γ est utilisée et ajustable pour chacune des trois couleurs composantes.

D'autres dispositifs d'affichage ont des valeurs différentes de gamma : par exemple, l'affichage d'une Game Boy Advance a un gamma élevé entre 3 et 4 dépendant des conditions de luminosité ambiante. Dans les affichages à cristaux liquides (LCD) tels que les panneaux d'affichage des ordinateurs portables, la relation entre le signal de tension VS et l’intensité I est fortement non linéaire et ne peut pas être décrite par une simple valeur gamma alors que les écrans à plasma permettent un transfert linéaire. Cependant, ces affichages appliquent tous une courbe spécifique de correction à la tension d'entrée afin d'approcher au mieux le comportement d'un moniteur cathodique à fonction de transfert où γ=2,5.

La fonction gamma, ou son inverse, a une pente infinie en zéro. Cela conduit à des problèmes durant la conversion depuis ou vers l'espace colorimétrique gamma. Pour cette raison la plupart des espaces colorimétriques définis et calibrés formellement tels que sRGB définissent un segment de droite près de zéro, et changent la tension d'entrée x en x+K (où K est une constante) à la puissance, de sorte que la courbe obtenue et l'enveloppe de ses tangentes restent continues. Cette ligne droite ne représente pas ce que produit effectivement le tube cathodique, mais fait en sorte que le reste de la courbe corresponde de façon proche à l'effet de la lumière ambiante sur le tube cathodique. Dans de telles expressions, l'exposant de cette dernière courbe n'est pas le gamma : par exemple la fonction sRGB utilise une puissance de 2,4, mais ressemble plus à la fonction de transfert gamma 2,2.

Terminologie[modifier | modifier le code]

Les noms des diverses quantités sont quelque peu trompeurs. Le terme « intensité » se réfère strictement à la quantité de lumière émise par unité de temps et de surface, exprimée en lux. Cependant, dans de nombreux champs d'études scientifique, cette quantité est appelée émittance lumineuse, en opposition à l’intensité lumineuse qui est une quantité différente.

La luminance peut signifier différentes choses, même dans le seul contexte de la vidéo :

  • La luminance est la brillance apparente d'un objet, prenant en compte la sensibilité de l'œil humain dépendante de la longueur d'onde (exprimée en cd/m²) ;
  • La luminance (vidéo) est le signal vidéo codé, c'est-à-dire similaire au signal de tension VS.

De même la luminosité ou brillance peut se référer à la "quantité de lumière", soit avant, soit après application de la loi de puissance gamma.

Un simple test de votre moniteur[modifier | modifier le code]

Test gamma de moniteur

Pour savoir si votre moniteur d'ordinateur est correctement ajusté, et peut afficher correctement les ombrages les plus détaillés, vous devriez entrevoir très faiblement (ou pas du tout) dans l'image ci-contre la moitié gauche très foncée du disque dans le carré de fond noir, mais la moitié droite (très légèrement plus claire) devrait être clairement visible. Sinon commencer par ajuster le niveau de blanc sur le réglage de base du moniteur en fonction de la luminosité ambiante, avec un contraste confortable entre le noir et le blanc, dans une pièce bien éclairée en journée.

Puis, si vous le pouvez, utilisez les réglages avancés de votre carte graphique pour que l'accord de niveau de gris sur l'échelle gamma de droite se situe près de la valeur théorique normalisée gamma=2,2. Enfin, ajustez plus précisément la lumière et le contraste du moniteur en utilisant l'image test de droite afin que la moitié gauche soit à la limite de la disparition dans le fond noir. Lors des changements de luminosité ambiante, vous ne devriez ajuster que la luminosité du moniteur, sans avoir à toucher au contraste ni aux réglages gamma de votre carte graphique.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Michael Bergeron et Stephen Mahrer, « Television Camera Systems », dans NAB Engineering Handbook, Focal Press,‎ , p. 1050.
  2. a et b CIE 531-45-08.