"Etude sur les caractéristiques des capteurs"

Présentation par Baptiste Magnien, AFC
La CST vient de mettre en ligne une étude sur les caractéristiques des capteurs qui équipent nos caméras numériques actuelles menée par le groupe de travail composé de Jacques Gaudin, Alain Sarlat, Gilles Arnaud, Yann Cainjo et Baptiste Magnien, AFC.

Une première initiative d’Alain Sarlat, enseignant à l’École nationale supérieure Louis-Lumière, autour d’expérimentations dans le labo de sensitométrie, visait à résoudre le problème de détermination de la sensibilité réelle des mono-capteurs des caméras numériques. Françoise Noyon, représentante du département Image de la CST, a été à l’initiative de la création d’un groupe de travail sur ce thème, composé de Jacques Gaudin, Alain Sarlat et Gilles Arnaud, rejoints par la suite par Yann Cainjo et Baptiste Magnien.
Le travail de ce groupe était de déterminer si la réponse des capteurs à l’exposition pouvait être contrôlée par des essais sensitométriques analogues à ceux pratiqués traditionnellement dans la chaîne argentique. Est-il possible d’établir une courbe de réponse caractéristique, et ainsi de déterminer la sensibilité du capteur, la latitude d’exposition et l’étendue utile ?
En clair, et surtout appliquée aux tournages, l’utilisation d’une cellule est-elle encore utile lors des prises de vues, la plupart des opérateurs se basant sur l’oscilloscope pour "centrer" leur exposition sur le signal, et surtout, quel serait l’indice à afficher sur la cellule pour garantir une exposition optimale.
Les mesures faites permettent en tout état de cause de tracer une courbe "caractéristique" des réponses à l’exposition, mais si la méthodologie argentique de détermination des caractéristiques d’une émulsion ne peut s’appliquer directement aux capteurs numériques, certaines similitudes ou différentes importantes sont pourtant bien évidentes.
Citons, dans les similitudes, la réponse progressive en basse lumière, équivalente du pied de courbe, le contraste et l’étendue utile lisibles directement sur la courbe.

Les différences entre argentique et numérique sont par contre plus tranchées dès qu’on s’approche des hautes lumières et ont une influence directe sur l’interprétation qui peut être faite des courbes.
Du fait de la prédominance d’un point de saturation dans les hautes lumières, presque absent des courbes argentiques, Alain Sarlat préconise que la lecture des courbes numériques s’inspire de la lecture d’une courbe de type inversible et que la détermination de la sensibilité réelle se base par écart avec ce point de saturation. La norme ISO, en vigueur dans la photographie numérique, et les habitudes des opérateurs dans la détermination "on set" de leur exposition vont d’ailleurs dans ce sens. Se positionner en fonction des hautes lumières est une démarche courante et bien souvent salutaire dans le processus d’exposition en numérique.

Une autre grande différence réside dans le fait que le signal peut être lu sur les fichiers RAW ou sur des fichiers "débayerisés", donc interprétés. Ce point crucial, qui prend en compte, en fonction du modèle de caméra, la sensibilité affichée comme une métadonnée ou un réglage géré dans la gestion des réponses du capteur, implique même des méthodologies d’essais très différentes. La question du "développement" des fichiers RAW entre alors en plein dans les lectures au même titre que les développements spéciaux pratiqués en argentique. Les LUTs, courbes et choix faits lors de la débayerisation ayant leur influence sur les réponses à l’exposition.
Les moyens d’exposition n’étant pas pour l’heure autant disponibles que le traditionnel Type 6 Kodak, des avancées sont encore nécessaires pour standardiser les protocoles d’essais et offrir aux opérateurs les instruments et la fiabilité de rigueur dans ce genre de tests.

Cette étude ne tend pas à donner une réponse directe aux problèmes posés mais elle propose une méthodologie de tests et de contrôles afin d’aider les opérateurs dans la réflexion leur permettant, en fonction du matériel utilisé, des conditions de tournage, de postproduction et de l’image désirée, de choisir en connaissance de cause les facteurs à prendre en compte lors de l’exposition.

Au sommaire

  • 1 Introduction
  • A But de cette étude
  • B Protocoles envisagés
  • 2 Données du problème
  • A Importance de la taille du capteur
    • 1 Rendement Quantique
    • 2 L’étendue utile
    • 3 Profondeur de champ
    • 4 Bruit
    • 5 Diffraction
    • 6 Fonction de transfert de modulation (FTM)
  • B Technologie de capteurs
    • 1 CCD et CMOS
    • 2 FSI et BSI
  • C Séparation des primaires
    • 1 Séparation à prismes (tri CCD ou tri CMOS)
    • 2 Séparation par matrice de filtres colorés (mono capteur)
    • 3 Importance du dématriçage
  • 3 Mires de contraste, types de fichier et outils d’analyse
  • A Les mires de contraste
    • 1 Les mires Xyla
    • 2 Arri Dynamic Range Test Chart DRTC-1
    • 3 TE264
    • 4 La mire réalisée par Alain Sarlat à l’ENS Louis-Lumière
  • C Les outils logiciels d’analyse utilisables
    • 1 Matlab
    • 2 GNU Octave
    • 3 RAW Digger
  • 4 Méthodologie
  • A Méthodes de la norme 12232
    • 1 Méthode du plan focal
    • 2 Méthode basée sur le moyenne arithmétique de la luminance de la scène
  • B Méthode développée par Alain Sarlat
    • 1 Estimation de la sensibilité
    • 2 Estimation de l’étendue utile
  • C Méthode développée par Baptiste Magnien
    • 1 Dispositif expérimental
    • 2 Tableau et courbes
    • 3 Analyses et interprétations
  • D Détermination de la sensibilité selon les données constructeur
  • E La caractérisation du bruit
  • F La mesure de réponse spectrale
  • 5 Conclusion
  • 6 Annexes
  • A Indices EV / IL
    1 Calcul de l’indice EV pour 100 ISO
    2 Rapport de contraste EV et linéaire
    3 Tables des indices EV pour 100 ISO (Sekonic Cine Master)
  • B Calcul de la sensibilité ISO d’un film négatif couleur
  • C Norme ISO 12231 vocabulaire
    • 1 Gain
    • 2 Fonction incrémentale du gain
    • 3 Incrémentation du signal de sortie
    • 4 Bruit de sortie
    • 5 Limite d’exposition maximale
    • 6 Limite d’exposition minimale
  • D Pixel
  • 7 Bibliographie