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autre article en rapport avec le sujet: dynamique des capteurs et exposition

Le format raw: les niveaux RVB bruts et leur interprétation

             La sortie récente de l'utilitaire Raw Digger ( voir ici ) permet l'analyse des données RVB brutes contenues dans les fichiers raw générés par nos boîtiers. En effet ce logiciel permet d'ouvrir directement  les fichiers raw et affiche les histogrammes des données contenues dans ces fichiers raw. Avoir accès aux données brutes permet l'analyse du comportement de nos logiciels de dérawtisation en comparant les fichiers finaux  issus de cette opération et les données brutes. Il faut bien comprendre que les logiciels utilisés pour transformer les fichiers raw en images finales interprètent les données des fichiers raw et que chaque logiciel possède un rendu qui lui est propre.

            Nous nous intéresseront sur cette page à la façon dont sont restitués les niveaux contenus dans les données brutes, principalement dans les zones moyennes et les hautes lumières puisque ce sont ces valeurs qui sont le plus soumises à interprètation.

             Un capteur Cmos ou CCD "voit" la lumière avec un gamma de 1 et les données brutes issues du capteur sont représentatives de cette particularité: quand la valeur RVB brute double ( par exemple RVB passe de 1000 à 2000 ) c'est que le capteur a reçu 2 fois plus de lumière, soit 1Ev ( ou 1 diaphragme pour parler plus simplement ). A partir de ces données brutes il est donc facile de mettre en relation directe les unités photographiques de mesure de lumière ( Ev ou diaphragme ) et les données numériques RVB.


 Ev 0 a été défini arbitrairement sur 2000 pour simplifier la lecture de ce graphique
Ev 0 se définit en fonction du réglage de la cellule de votre boîtier
nous voyons clairement qu'un doublement de la valeur brute ( chiffre du bas ) correspond à +1 Ev ( chiffre du haut )

             Les capteur actuels sont en général en 14 bits, c'est à dire que chaque donnée issue d'un photosite du capteur peut avoir 214 valeurs possibles, soit 16385 valeurs possibles ( de 0 à 16384 ). La mosaïque de Bayer qui est utilisée sur la majorité des capteurs actuels contient le double de photosites filtrés en vert que ceux filtrés en rouge ou en bleu. Il en résulte des données brutes qui contiennent 2 fois plus de données "vertes" que de données "bleues" ou "rouges". Pour simplifier les opérations de démosaïquage, ces données "vertes" sont regroupées en 2 couches de taille égale, le fichier raw contient donc en fait 4 ( et non pas 3 ! ) couches distinctes: la couche R ( rouge ), la couche V1 ( verte 1 ), la couche B ( bleue ) et enfin la seconde couche V2 ( verte 2 ). C'est pour cette raison que les histogrammes affichés sur cette page montrent 2 couches vertes, 1 couche rouge et une couche bleue, ces 4 couches contenant le même nombre de pixels.


Analyse des niveaux d'un fichier raw


prise de vue de la mire Digital Target 4 en format raw,
Nikon D700, éclairage flash

             Nous étudierons ici un fichier raw de la mire Digital Target 4 ( utilisée pour calibrer les APN - voir ici ), la prise de vue a été réalisée avec un Nikon D700 et un éclairage au flash. L'exposition a été réglée pour être en limite de l'écrêtage des hautes lumières, comme c'est souvent le cas, afin d'avoir un histogramme complet dans les hautes lumières.

             La capture d'écran ci-dessous montre l'histogramme des canaux RVBV du fichier raw de la prise de vue de la mire. Nous voyons que les hautes lumières ne sont pas écrêtées et que l'exposition est correcte: sur le canal vert 2 le niveau maximum est à 14319 alors que le maximum théorique possible est à 16384 ( les données sont en 14 bits donc 214 = 16384 ), soit 0.20 Ev en dessous du maximum et il y a plus de marge sur les autres canaux.



histogramme des données raw brutes du fichier utilisé pour ce test
Nikon D700, éclairage flash
l'unité de l'axe horizontal est le niveau réel en 14 bits ( de 0 à 16384 )

Ce fichier raw a été développé en tiff 16 bits - adobe RGB 98 dans les configurations suivantes:

 

            La comparaison visuelle de ces 6 images montre bien qu'a partir du même fichier raw les interprétations varient assez fortement selon le logiciel utilisé pour dérawtiser le fichier. Malgré le fait que le fichier original soit parfaitement exposé et qu'aucune donnée ne soit écrêtrée dans les hautes lumières, le rendu varie très fortement, beaucoup plus que je ne l'imaginais avant de réaliser ce test.
           Les choix de 
rendu des éditeurs des logiciels testés sont bien mis en valeur avec un problème récurrent en numérique: des valeurs moyennes exagérément poussées et des hautes lumières se retrouvant comprimées tout en haut du spectre.

analyse visuelle des rendus:

- Adobe Camera Raw 6.7, configuration par défaut, balance des blancs, processus 2010
           La configuration utilisée ici est standard, avec un choix de rendu des couleurs ( onglet "étalonnage du boîtier" ) en adobe standard, les hautes lumières sont très comprimées et nous le verrons plus tard sur les courbes, Camera Raw est le logiciel qui comprime le plus les hautes lumières. Même les gris moyens sont largement tirés vers le haut.

- Adobe Lightroom 4, configuration par défaut, balance des blancs, processus 2012
           cette nouvelle version 2012 introduit un nouveau processus de rendu ( dans le menu "étalonnage du boîtier" / processus ) nommé 2012, il y a effectivement une légère différence de densité avec le processus 2010 ( voir le rendu Camera Raw 2010 ), les hautes lumières sont ( légèrement ) moins tassées vers les valeurs hautes et la transition entre les valeurs moyennes et les valeurs hautes est plus progressive. Les ombres et valeurs moyennes semblent comparables au processus antérieur.

- DxO Optics Pro 7, autoréglage " couleur naturelles ", balance des blancs
           le rendu DxO est moins exagéré que les rendus "adobe ". Les valeurs moyennes et hautes toujours poussées vers le haut mais dans une mesure moindre.

- DxO Optics Pro 7, avec profil ICC personnalisé CMP ( réalisé sur un export linéaire ), balance des blancs
           la correction du rendu DxO de base par des profils ICC personnalisés basés sur un export linéaire permet d'atténuer largement la compression des hautes lumières et de restituer un rendu naturel avec des nuances plus fines dans les hautes lumières.

- Capture One 6, contraste film standard, balance des blancs
            La courbe de contraste " film standard " est choisie par défaut sur toutes les images dans Capture One, le rendu est plus contrasté que les rendus adobe ou DxO et les hautes lumières restent largement comprimées en haut du spectre même si les zones moyennes sont plus denses qu'avec les rendu Adobe et DxO par défaut.

- Capture One 6, contraste linéaire, balance des blancs
            Ce rendu très particulier est une prise de risque de Phase One ( l'éditeur du logiciel ): proposer un rendu parfaitement neutre, sans aucune modification autre que l'application d'un gamma 2.2 sur les niveaux raw. Une très bonne initiative à mon sens, ce rendu nécessitant un travail de la part du photographe pour chaque image, mais vous garantissant un contrôle total sur le rendu des hautes lumières.

 

analyse chifrée des rendus:

Une sélection de plages grises a été faite sur la partie centrale de la mire comme suit:


niveaux moyens bruts du fichier raw
Afin de déterminer la valeur de chaque plage, une moyenne a été
réalisée sur les 4 couches RVBV

Le niveau RVB de ces 8 plages sélectionnées a été relevé sur les fichiers tiff en sortie de chaque logiciel, le graphique suivant résulte de cette étude:


courbes de rendu des principaux logiciels de dérawtisation
 l'axe horizontal représente les données brutes RGBG ( moyenne des 4 valeurs ) enregistrées par le capteur
l'axe vertical représente la valeur RVB ( moyenne des 3 valeurs ) en sortie de logiciel de dérawtisation dans l'espace couleur adobe RGB 98

            Le graphique ci-dessus permet de comprendre le rendu des logiciels: à un niveau raw brut correspond un niveau de sortie, ces courbes sont donc le reflet du traitement interne de chaque logiciel, ce qui est extrêmement intéressant puisque très peu de données sont communiquées par les éditeurs de logiciels à ce sujet.

             L'applatissement des courbes dans les hautes lumières est bien représentatif de la sensation visuelle ( sur la prise de vue de la mire ) de compression dans les hautes lumières sur tous les rendus, sauf celui de Capture One / contraste linéaire: comme son nom l'indique aucune correction autre que la correction de gamma 2.2 n'est effectuée sur les données brutes. Il en résulte un rendu assez terne et manquant de punch mais totalement neutre et respectant les données contenues sur votre fichier raw. Ce type de rendu atypique nécessite un peu de travail de votre part pour mettre au point les corrections adaptées à votre fichier ( contraste, courbes ... ) mais à mon avis ce type de rendu est beaucoup plus universel comme rendu de base pour commencer à travailler sur une image que les rendus très typés dans les hautes lumières des autres configurations logicielles testées ici, puisque a priori chaque image nécessite une correction adaptée et personnalisée il est donc préférable à mon sens de partir d'une base "saine". Le rendu DxO corrigé avec un profil ICC sur mesure basé sur un export linéaire ( voir ici pour plus d'infos ) se situe à mi chemin entre le rendu Capture One contraste linéaire et les rendus typiques ayant une épaule de courbe ( les hautes lumières ) très applatie, c'est une bonne solution pour conserver un rendu naturel tout en conservant une transition progressive entre les hautes lumières et le blanc pur.

 

 

Réflexion sur le choix de rendu dans les hautes lumières

  Beaucoup de logiciels ont fait le choix délibéré de comprimer très largement les hautes lumières vers le haut du spectre. Ce choix peut parfaitement fonctionner avec une image sous exposée qui retrouvera des niveaux corrigés sans aucune action du photographe, mais dans le cas d'une image correctement exposée ces corrections ne seront pas du tout adaptées.
   Le choix d'un rendu comprimant les hautes lumières vers le haut peut s'expliquer aussi dans le cas ou le fichier raw contient des zones fortement surexposées: la transition entre les hautes lumières et les zones brulées se fait de façon plus naturelle: l'effet " fromage blanc " et la dérive de la teinte autour des zones écrêtées sont évités puisque la courbe ne présente pas d'angle brutal au point d'écrêtage ( 255 en RVB 8 bits ).
   Sur l'extrait de ciel ci-dessous, le blanc est écrêté sur certaines parties ( canal vert 1 et 2, flèche rouge ). En développant avec Capture One en contraste linéaire, le bleu du ciel et les gris des nuages sont bien rendus mais la zone écrêtée présente une légère dérive de la teinte: du cyan apparaît sur le pourtour de la zone. En développant en mode " contraste film standard ", le problème est ... "résolu" puisque tout est presque banc ...
   Ce choix de rendu plutôt radical est choisi comme rendu standard par la majorité des éditeurs de logiciels. Il peut donner de bons résultats et résoudre des problèmes dans certains cas mais il est dommage que la majorité des images soient traitées de la sorte ( puisque c'est un rendu proposé par défaut ), toutes ne nécessitant pas un tel traitement!

  
histogramme raw de la zone de ciel                         passez votre souris sur l'image      
 

 



Exemples en images

             Les versions Captures One contraste linéaire et DxO avec profil icc personnalisé CMP ont été corrigées avec le correcteur d'exposition respectivement à +1,20 diaphragme et +0.5 diaphragme pour compenser la perte de densité générale de l'image dûe à la courbe de développement plus plate, ce sont les seules corrections effectuées. Pour les autres versions de développement, les configurations de base des logiciels ont été conservées. Nous voyons clairement que les différences de rendu entres les différentes configurations logicielles, les différences d'interprétation chromatique sont aussi assez importantes et la personnalisation du rendu par le biais de profils icc sur mesure permet un rendu plus réaliste de l'ambiance générale ressentie sur le lieu de prise de vue. Il aurait été tout à fait possible d'optimiser manuellement toutes les versions mais l'objet de cet article est d'essayer de comprendre le fonctionnement interne des logiciels, j'ai donc préféré utiliser les rendus par défaut sans autre retouche manuelle.

photographie Henri Culubret - Nikon D300 - Japon, Kyoto

 


photographie Henri Culubret - Nikon D300 - Alpes Japonnaises, Shirakawa
 
 


photographie Michel Billière - Nikon D700

 

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article écrit en mai 2012


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