Sous-exposition et sur-exposition en photo numérique

La notion de
sous exposition et sur exposition
existe-t-elle vraiment en photo numérique ?

La question est intéressante car ce terme, issu de la photo argentique, introduit une notion d’échec, c’est à dire une photo impossible à corriger et par voie de conséquence inutilisable. Cela est dû au fait qu’une mauvaise exposition peut entrainer une dégradation extrêmement importante du contraste, élément fondamental dans la qualité d’une photo.

Or la courbe de réponse d’un film argentique et d’un capteur ne fonctionne pas du tout de la même façon. En photo numérique, les erreurs d’exposition ne dégradent pas beaucoup les photos et la plupart d’entre elles sont récupérables. Les extrêmes subissent quelques dégradations mais qui sont incomparables à celles de l’argentique.

On peut donc se poser cette question.

En argentique, les défauts d’exposition engendrent une dégradation extrèmement importante du contraste. Ces dégradations ne sont pas rattrapables. On dit alors que les clichés sont sous-exposés (photo de gauche) ou sur-exposés (photo de droite)

Je vous propose donc de faire un point précis sur ce problème. L’article se divise en deux parties bien distincte :

  • Une première partie, technique, explique les fondamentaux.
  • La seconde partie propose une approche beaucoup plus concrète via des tests qui ont été réalisés en studio. Les résultats sont très intéressants (voir les tests)

Les fondamentaux

Rappelons rapidement trois règles précises :

  1. On considère qu’une exposition est correcte lorsque le contraste de la photo est proportionnel au contraste du sujet.
  2. Une photo peut-être plus ou moins dense mais tant que le contraste est correct, l’exposition est considérée comme bonne.
  3. Le défaut d’exposition intervient lorsque ce contraste n’est plus respecté.

Les courbes ci-dessous  permettent de comprendre le processus. Celle du film et celle du capteur ne fonctionnent pas du tout de la même façon : l’une est linéaire, l’autre non.

Pour ne pas entrer dans des explications très techniques, j’ai simplifié ces schémas de manière à les rendre compréhensibles. Les puristes ne m’en voudront pas.

Courbe d’un film argentique

La particularité d’un film argentique est que sa courbe de réponse n’est pas linéaire et que sa latitude de pose est assez faible, environ 3 EV. C’est dans cette zone que le contraste du sujet est respecté (zone bleu sur le schéma)

S’il n’y a pas assez ou s’il y trop de lumière (au regard de la latitude de pose), l’émulsion ne réagit plus correctement, le contraste diminuant progressivement. (zone rouge de la courbe). On parle donc de sur ou sous exposition avec comme conséquence une forte dégradation de la photo pouvant aller jusqu’à la disparition de l’image. Ce phénomène est accentué par deux caractéristiques :

  1. Un film argentique possède une densité minimum en dessous de laquelle il n’est pas possible de descendre : la densité du film lui-même. (le pied de la courbe)
  2. De la même manière, le noir absolu n’existe pas, le film laissant toujours passer de la lumière. (l’épaule de la courbe)

Dans les luminations extrèmes, ces deux éléments réduisent fortement la capacité d’un film à reproduire un contraste correct. Comme la latitude d’un film est très faible, environ 3 EV*, les défauts d’exposition et photos loupées sont donc légions.

En argentique la notion de « sous exposition et sur exposition » est donc associée à une détérioration très importante et irrémédiable de l’image, ce qui n’est pas le cas du numérique.

*En fonction de la marque et du type du film.

Détails techniques :

1- Ce point reflète la valeur EV* (ou IL indice de lumination) permettant une exposition parfaite et donc un résultat optimal. ( Par exemple : EV = 1/60ème – f/5,6 – Iso 200)

2-La zone bleu définit la latitude de pose. Cela veut dire que l’exposition peut varier, par exemple ici de -1,5 à +1,5 EV. De ce fait, un temps de pose* peut fluctuer de 1/20ème à 1/200ème de seconde sans que la qualité de la photo n’en soit affectée, le contraste du sujet étant respecté. Bien sûr le négatif sera plus ou mois dense, mais parfaitement rattrapable par le tirage papier.

3- Cette zone définit la sous exposition. Au delà de -1,5 EV (ici 1/20ème de sec), il n’y a plus assez de lumière et la densité du négatif diminue. La courbe forme un « pied » car en argentique celle-ci n’est pas linéaire, le support du film constituant une densité en dessous de laquelle il n’est pas possible d’aller. Les ombres ne pouvant plus s’éclaircir, elles sont rattrapées par les hautes lumière. C’est pour cette raison que le contraste se dégrade fortement. L’image peut même disparaître.

4- A l’inverse, l’excès de lumière (au delà de +1,5 EV) crée une surexposition mais les grains d’argent ne pouvant pas reproduire un noir profond, celui-ci est alors rattrapé par les zones claires créant progressivement, ici aussi, une dégradation importante du contraste
. L’image devient alors très dense sur le négatif et très claire sur le positif. (un peu comme l’effet High Key, mais sans les détails)

* Mais aussi l’ouverture ou la valeur Iso

Courbe d’un capteur numérique

En photo numérique, les défauts d’exposition apparaissnent très peu car la courbe de réponse est linéaire. Cela veut dire que quelque soit le niveau de lumination (A part les cas extrêmes), le contraste est toujours respecté. Il n’y a pas de densité minimum comme sur le film, ni de réactions hétérogènes comme celles des grains d’argent. La densité des basses lumières peuvent descendre très bas, les noirs profond, très haut.

Cela change tout. Ces critères techniques font que la latitude de pose d’un capteur (zone bleu) est très importante (ici environ 6 EV*). En pratique, on est donc très peu confronté aux problèmes de sous ou sur exposition. On verra dans les tests ci-dessous que seules les situations vraiment extrèmes posent problème.

*En fonction de la marque et du type du capteur.

Détails techniques :

1- Comme pour l’argentique, ce point reflète la valeur EV* (ou IL indice de lumination) permettant une exposition parfaite et donc un résultat optimal. ( Par exemple : EV = 1/60ème – f/5,6 – Iso 200)

2- La zone bleu définit la latitude de pose. Dans notre exemple, l’exposition peut varier de -3 à + 3 EV. ce qui correspond à une fluctuation de 1/8ème à 1/500ème de seconde** sans que la qualité de la photo n’en soit affectée. Bien sûr la photo sera plus ou mois dense, mais parfaitement rattrapable par la post production.

3-Cette zone définit un manque important de lumière. La photo devient très dense, mais la courbe du capteur étant linéaire, le contraste n’est pas réellement affecté. Ce sont des artefacts***(granulation) qui vont apparaître et dégrader progressivement la photo, mais sans commune mesure avec à l’argentique. La post production permettra de réquilibrer en grande partie ce type de photo (voir test)

4-A l’inverse, un excès de lumière va éclaircir fortement la photo. Dans un premier le contraste va être légèrement altéré puis dans un second temps, subitement, la photo va se retrouver complèment brûlée par l’excès de lumière. Nous sommes hors des limites du capteur. (voir les tests)


* Je reviens sur l’utilisation de la fonction EV des appareils photo numériques à la fin de l’article
*** concerne aussi l’ouverture ou la valeur Iso
*** Les artéfacts apparaissent lorsque le capteur est fortement sollicité : ici pour récupérer de l’information par faible lumière. Il n’y a que les algorithmes de traitement d’image qui sont capables de les supprimer. Ces mini programmes sont capables de limiter les effets de sous exposition, ce qui augmente la latitude de pose.

Le test (réalisé en studio)

La question qui nous intéresse aujuord’hui est donc de savoir comment un capteur va réagir face à des défauts d’exposition. Assiste-t-on réellement à une dégradation d’image importante. La notion de sous exposition ou sur exposition existe-t-elle vraiment ? Le test sera beaucoup plus explicite que l’explication technique.

Conditions du test

Ce test a été réalisé sur pied, en studio, avec un Fuji X100, équipé d’un capteur Aps. Il s’agit d’un équipement de niveau professionnel mais dont la technologie date d’une dizaine d’années. Les capteurs d’aujourd’hui sont donc beaucoup plus performants notamment sur les smartphones.

le choix du sujet

Cette photo n’est pas exeptionnelle. Avant tout, Il était important de concevoir un sujet sensible aux problèmes de contraste, puisque c’est ce critère qui définit si l’exposition d’une photo est correcte ou non. J’ai donc choisi une composition comportant essentiellement des zones très claires et très sombres.

Critères techniques

J’ai réglé mon éclairage de manière à avoir un temps de pose médian, c’est à dire 1/60ème – f/5,6 – Iso 200. Une fois en place, j’ai réalisé en mode manuel une série 9 prises de vue qui va du 1/4 de seconde au 1/1000ème. Cette amplitude est extrèment importante : à 1/4 seconde le capteur recoit 250 fois plus de lumière que à 1/1000ème (et correspond à 8 EV).

Les photos ont été réalisées en format Raw car lui seul permet de réajuster l’exposition.

Prises de vue originales

Voici les prises de vue originale, livrée brut, au format Raw. On voit que le meilleur résultat se situe entre 1/30ème et 1/60ème . Très rapidement les photo semblent se dégrader ne laissant appaître plus aucun de détails. L’aspect de surexposition apparaît à partir du 1/8ème, la sous exposition à partir du 1/125ème

Photos corrigées en post production

Une fois les photos traitées en post production, l’ensemble des photos sont ramenées à des densités correctes, les contrastes sont très peu altérés. En regardant avec plus de précision (voir les images agrandies çi-dessous) on peut considérer que :

  1. Les photos exposées entre 1/8ème et 1/250ème de seconde sont correctes car quasiment identique. La dynamique du capteur est donc de 5 EV ce qui correspond à sa latitude de pose.
  2. A 1/4 de seconde, le détail des hautes lumières commence à disparaitre. A partir de 1/2 sec, on assistera à un effondrement quasi immédiat de la qualité, car on dépasse la capacité du capteur.
  3. Pour 1/500ème et 1/1000ème le contraste est toujours respecté mais avec une apparition de la granulation. Le même type de granulation que l’on trouvera en montant la valeurs des Iso. Le même type de granulation que l’on trouve sur les films argentiques très sensibles. On ne peut pas considérer ces photos comme étant sous exposées.


Conclusion

A la vue de ces tests, on s’aperçoit qu’un capteur est capable de recevoir des écarts de luminosité extrèmement important. Ils peuvent aller (dans notre exemple) jusqu’à 5 EV et restituent donc un contraste proportionnel à celui du sujet, y compris dans les extrèmes. La qualité d’image restituée n’a rien à voir avec celle de l’argentique.

Un capteur génère des dégradations uniquement lorsque lorsqu’il est « submergé » de lumière. On dépasse alors la capacité du capteur. Tout cela montre qu’en photo numérique les problèmes liés aux défauts d’exposition sont très rares. Pour moi, la notion de sousexposition ou surexposition n’existe pas vraiment en numérique.

L’arrivée des nouveaux smartphones confirment ces éléments. En basse lumière, ils sont en mesure de restituer une très grande qualité d’image, aidés par des puissants algorithmes qui sont capables d’enlever les artefacts.

Un mot sur la compensation d’exposition

Les appareils numériques disposent tous d’une fonction de compensation d’exposition qui va souvent de +2 à -2. Cette fonction n’est pas une correction des sous et surexposition. Elle sert uniquement à déplacer le niveau d’exposition dans la zone de latitude pose, de manière à obtenir la densité optimale (point N° 1 de la courbe).


Cette fonction permet d’obtenir une photo Jpg immédiatement exploitable en terme de densité. La compensation d’exposition n’est pas très utile pour ceux qui ont l’habitude de travailler en Raw puisque la post production permet d’effectuer la même chose mais avec une plus grande précision.

Jean-Claude
Copyright – Février 2021

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