Livre blanc En tête du marché de la vidéo mégapixel L’imagerie à plage dynamique étendue


MICHAEL KORKIN, PH.D. Vice-président de l’ingénierie


QU’EST-CE QUE LA PLAGE DYNAMIQUE ?


Par définition, la plage dynamique est le ratio entre les valeurs maximale et minimale d’une quantité variable, comme la lumière ou le son. Les difficultés de compréhension et d’application du concept de plage dynamique tournent autour de la question de sa mesure.


Supposons que vous deviez mesurer le taux de précipitations à l’aide d’un seau. En cas de fortes précipitations, le seau risque de très vite déborder, ce qui rendra impossible de déterminer la valeur de précipitations maximale : les résultats se limiteront à la capacité du seau. En cas de précipitations faibles, le seau reçoit sporadiquement une goutte pendant un intervalle de mesure et deux durant un autre, ce qui rend la valeur minimale incertaine ou bruitée. Afin de réduire l’incertitude de mesure des valeurs minimales, il est nécessaire d’allonger la durée de recueil mais cela ne fonctionne pas pour les valeurs maximales, sous peine de provoquer un débordement.


Caméra comme instrument de mesure


Comme dans tout canal d’information, la qualité de la caméra vidéo peut être jugée par la façon dont elle transmet l’information, à savoir les variations de luminosité présentes dans la scène. La caméra est-elle en particulier capable de capturer les variations subtiles des hautes lumières de la scène sans écrêtage ? Est-elle capable de saisir les variations subtiles des ombres sans les noyer dans le bruit ? Quid de la capture des détails de la scène aux deux extrémités de la plage dynamique en même temps ? La réponse à ces questions dépend à la fois de la plage dynamique de la scène elle-même et de sa comparaison à la fonctionnalité de plage dynamique de la caméra comme instrument de mesure. En général, si la plage dynamique de la scène est identique à celle de la caméra ou plus étroite, les images qui en résultent transmettent fidèlement les détails de la scène aussi bien dans les ombres que les hautes lumières sans bruit ni écrêtage. Si la plage dynamique de la scène est plus large, la caméra rogne les détails dans les hautes lumières ou les masque dans les ombres par un bruit excessif, ou les deux en même temps.


Besoin d’une durée de capture plus courte


Besoin d’une durée de capture plus longue


Cet exemple simple montre en quoi la mesure est en fait un canal d’information : il peut transmettre, perdre ou déformer l’information relative à la quantité variable, soit en haut de la plage, soit en bas, soit aux deux extrêmes en même temps.


Imaginez la caméra vidéo comme un instrument de mesure. Elle mesure la quantité de lumière qui arrive sur chacun de ses millions d’éléments sensibles à la lumière, ou pixels, disposés dans un réseau bidimensionnel. Chaque pixel intègre le flux photonique qu’il reçoit sur une période de temps puis le convertit en un signal électrique exploitable. Si le flux photonique en provenance de la scène est puissant ou si le temps d’intégration est long, le signal peut atteindre la limite et être saturé (écrêtage). Ainsi, toutes les variations de luminosité qui correspondent aux détails fins des zones lumineuses de la scène seront perdues. De la même façon, si


Comment la plage dynamique de la scène peut-elle être évaluée indépendamment des fonctionnalités de la caméra ? Il faut pour cela, caméra par caméra, prendre plusieurs scènes à différentes durées d’exposition. Des durées d’exposition très longues révèlent des détails dans les ombres tout en saturant les hautes lumières. Des durées d’exposition très courtes révèlent des détails dans les hautes lumières tout en noyant les ombres dans le plancher de bruit. Le rapport entre la durée d’exposition la plus longue requise pour révéler les détails dans les ombres et la durée la plus courte pour révéler les détails dans les hautes lumières donne une estimation fiable de la plage dynamique de la scène.


Sous-exposée Surexposée


le flux photonique de la scène est faible ou si le temps d’intégration est court, le signal produira des mesures bruitées incertaines et tous les détails de la scène seront perdus.


Ombres écrêtées, détails visibles dans les hautes lumières


Comment parvenir à l’équilibre parfait ?


Hautes lumières


écrêtées, détails visibles dans les ombres


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