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.

En photographie et cinématographie[modifier | modifier le code]

Courbe caractéristique d'un négatif.

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 lumineux reçu par l'émulsion photographique par le temps d'exposition[1]. Sa formule générale est donc :

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

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.

Le contraste apparent d'un tirage papier en photographie ou d'un tirage positif en cinématographie est le produit du gamma de l'émulsion utilisée à la prise de vue et de celui du support de tirage. Un transfert exact est assuré lorsque le produit de ces gamma est égal à 1. Un gamma supérieur à 1 donne un contraste accentué, et une impression de netteté accrue.

Particulièrement en noir et blanc, on peut déterminer le gamma en jouant sur la lumination et le temps de traitement dans le révélateur. Avec une forte lumination et un faible temps de traitement, on obtient un gamma plus faible. Un gamma d'émulsion négative est typiquement compris entre -0,5 et -0,7. Cela permet une plus grande latitude d'exposition : même avec un écart important de lumination, le sujet peut être dans la partie linéaire de la courbe, nécessairement limitée par la densité maximale et la densité de voile, résultant du traitement d'un film non exposé. Pour compenser, le film de tirage positif a un contraste inférieur à -1. Le tirage positif reproduit, en augmentant le contraste, une partie de la zone d'exposition correcte du film négatif. Au tirage, on peut mesurer et ajuster finement cette zone pour obtenir le résultat désiré, soit au tirage sur papier, soit, en film cinématographique, après examen de la copie de travail tirée avec les valeurs normales.

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

Le terme gamma provoque souvent des confusions, parce qu'il désigne deux grandeurs distinctes[2] :

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[3]. 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[3]. 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 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 la même chose qu'en film, est une relation suivant une loi de puissance approchant la relation liant l'amplitude du signal de luminance (en volt) d’un signal de télévision et la luminance (en cd/m²) effective 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) convertit un signal vidéo en lumière, si c'est un écran, ou la lumière en signal, si c'est un capteur, au moyen d'un flux d'électrons que produit un canon à électrons, dont la réponse est non-linéaire. La relation approximative qui relie le flux lumineux L et la tension électrique Vs est

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 un tube monochrome. Le signal vidéo est compris entre 0 et 1. Le gamma n'affecte pas ces valeurs, puisque quel que soit γ, 0γ = 0 et 1γ = 1 ; il transforme les valeurs intermédiaires. Quand le signal vaut 0,5, la luminance lumineuse de l'écran n'est que de 0,52,5 ≈ 0,2.

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 transformation que résume cette autre fonction gamma :

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 écran 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) comme ceux des ordinateurs portables, la relation entre le signal de tension VS et le flux lumineux L est fortement non linéaire et ne peut pas être décrite par une simple valeur gamma ; un écran à plasma permet un transfert linéaire.

Le réglage du gamma, comme celui du niveau de noir et celui de la luminosité maximale, est désormais une décision concernant la qualité visuelle de l'image, appelée souvent rendu.

La fonction gamma, ou son inverse, a une pente infinie ou nulle à zéro. Cela conduit à des problèmes durant la conversion depuis ou vers l'espace colorimétrique gamma. Pour cette raison, les normes de signal définissent un niveau vn en dessous duquel la correction ne s'applique pas, qui définissent un segment de droite près de zéro. Des correctifs s'appliquent pour obtenir la continuité.

Exemple : sRGB :

La recommandation sRGB s'applique aux écrans d'ordinateurs utilisés pour les travaux graphiques.

Le signal est défini entre 0 et 1.

  • S'il est inférieur à 0,04045, la luminance relative est proportionnelle au signal, entre 0 et 0.003 ;
  • s'il est supérieur, on applique un gamma de 2,4. Pour raccorder la courbe en niveau et en pente, on ajoute au signal 0,055, et pour arriver à 1 quand le signal est à 1, on divise la somme par 1,055.

Du fait de l'aménagement du pied de courbe, le gamma résultant n'est pas l'exposant de la partie supérieure. Pour la valeur médiane du signal, la luminance est (0,555/1,055)2,4 ≈ 0,214, proche de 0,52,2 ≈ 0,217.

La luminance de seuil correspond à un niveau où l'effet de la lumière ambiante sur le tube cathodique prédomine le plus souvent.

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 recommandée par les normes UIT-R BT 709 et sRGB, gamma = 2,4. 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. René Bouillot, Cours de photographie, Paris, Paul Montel, , p. 91-94/
  2. (en) Michael Bergeron et Stephen Mahrer, « Television Camera Systems », dans NAB Engineering Handbook, Focal Press, , p. 1050.
  3. a et b CIE 531-45-08.