Imagerie a grande gamme dynamique

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Photo réalisée à partir d'une image à grande gamme dynamique après Tone Mapping

L'imagerie à grande gamme dynamique (High dynamic range imaging ou HDRI) regroupe un ensemble de techniques numériques permettant d'obtenir une grande plage dynamique dans une image. Son intérêt est de pouvoir représenter ou de mémoriser de nombreux niveaux d'intensité lumineuse dans une image. Cette technique s'effectue en permettant d'attribuer plus de valeurs à un même pixel. D'abord développée pour les images générées par ordinateur, la technique s'est ensuite adaptée à la photographie numérique.

Procédé informatique

L'image numérique classique est codée sur 256 valeurs (entre 0 et 255) sur chaque plan rouge, vert et bleu, c'est-à-dire avec 24 bits par pixel (3 × 8 bits). L'écart d'intensité lumineuse entre le pixel le plus lumineux et le pixel le plus faible, non noir, n'est donc que de 255. Or, dans la réalité, il est courant que la dynamique entre les zones les plus lumineuses et les plus sombres d'une scène soit plus grande. Les images HDR utilisent plus de bits par pixel que les images classiques et permettent de stocker une dynamique largement supérieure. La technique la plus courante est de stocker les images avec un nombre flottant par couleur (96 bits par pixel) mais il existe aussi des images HDR avec 32 bits/pixel, comme le format RGBE de Radiance ou le format LogLuv de SGI.

Applications

Photographie numérique

En 2006, les appareils Fuji FinePix S3 Pro (reflex) et Fuji FinePix F700 (compact) sont les seuls à pouvoir produire des photos à grande gamme dynamique grâce à l'utilisation de photodiodes particulières.

Cependant, l'obtention d'une photographie HDR peut aussi se faire avec un appareil traditionnel en prenant plusieurs photos LDR (Low Dynamic Range) puis en les fusionnant avec un logiciel. Pour ce faire, il faut réaliser plusieurs clichés d'une même scène avec des valeurs d'exposition différentes (bracketing), ce qui permet d'obtenir des détails à la fois pour les zones sombres et pour les zones claires. Pendant les différentes prises de vue, la stabilité de l'appareil doit être maintenue pour obtenir le même cadrage. Ensuite, les photos à faible gamme dynamique peuvent être combinées grâce à un logiciel (comme Photoshop et son module de Fusion HDR, Photomatix, Qtpfsgui, Hugin, le plugin « exposure blend » de Gimp ou le service web Exposio) pour former une seule photo à grande gamme dynamique (HDR).

En photographie, une image HDR n'a aucun intérêt si elle n'est pas reconvertie dans un format standard affichable (en 24 bits/pixel ou moins par exemple). C'est pourquoi un artifice, le « Tone Mapping », doit être utilisé pour révéler correctement l'image. Cet algorithme crée, à partir d'une image HDR, une photo où la totalité des éléments sont correctement exposés. Sans aucune surexposition ou sous-exposition, la photo devient ainsi beaucoup plus détaillée à la fois dans les zones sombres et dans les zones claires. Le rendu est souvent très réaliste, notamment pour les paysages nuageux et les environnements nocturnes.

Exemples

Six prises de vue avec des expositions différentes (1/40 1/10 1/2 1" 6" 25")	Le résultat de l'image précédente après création de l'image HDR puis Tone Mapping	Une rue de nuit (Tone Mapping d'une image HDR)	L'intérieur d'une église (Tone Mapping d'une image HDR)
Lowther Southern uplands-HDR.jpg Paysage de montagne (Tone Mapping d'une image HDR)	Coucher de soleil (Tone Mapping d'une image HDR)	Ruine au sommet du Salbert (à proximité de Belfort) (Tone Mapping réaliste d'une image HDR)	New York la nuit. (Tone Mapping d'une image HDR)

Images générées par ordinateur

Les images HDR d'environnement servent dans le domaine du graphisme comme alternative à un éclairage artificiel. Elle permettent de recréer les couleurs et lumières de la photographie dans la scène 3D, chaque pixel de l'image HDR servant de source de lumière. Elles sont aussi utiles pour générer des reflets sur des matériaux brillants comme le chrome ou l'or.

Dans ces cas d'utilisations, des images classiques (sans grande gamme dynamique) empêcheraient de rendre compte simultanément des sources de lumières très puissantes et des subtils reflets dans les zones peu éclairées.

Les images en HDR sont également utilisées comme textures de displacement. Elles sont ainsi générées par des logiciels de sculpture 3d comme Zbrush, Mudbox, Modo ou 3D Coat, et contiennent des informations permettant de rajouter visuellement, au moment du rendu, des détails sur un modèle 3d. Il en existe deux sortes :

• Des textures de displacement standard, qui peuvent pousser la surface d'un modèle dans un sens ou dans l'autre, en positif ou en négatif ;
• Des textures de vector displacement qui, au lieu de définir une simple distance de déplacement de la surface, définissent également une direction.

Ces images peuvent avoir des intensités négatives.

Jeux vidéo

Les jeux vidéo récents font usage d'images HDR afin d'augmenter l'immersion du joueur dans l'environnement ludique. Ceci est généralement réalisé en temps réel par l'emploi des techniques de RTT (Render-To-Texture), des floating-point buffers (pour conserver la gamme dynamique du HDR), et des shaders. Ces derniers permettent une flexibilité accrue dans le traitement de l'image en cours de construction (par exemple en passant des valeurs non tronquées (clamping) entre le vertex et le fragment shader). Les fragment shaders permettent aussi d'appliquer un flou gaussien sur l'image HDR (blooming), un effet très utilisé dans les jeux récents. Pour le Tone Mapping, on calcule généralement la luminance générale de l'image en réduisant la texture full-scene à une taille de 1×1 pixel.

Lien externe

• (fr) Vidéo de présentation et démonstration de la photographie HDR par Pierre-Henry Muller
• (fr) Exposure fusion, l'avenir des photos à grande dynamique ? par Remy Benelhadj et Benoit Marchal
• (en) Site du pionnier de la photo HDR par Paul Debevec

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