Livre blanc En tête du marché de la vidéo mégapixel
POURQUOI LA PLAGE DYNAMIQUE EST-ELLE LIMITÉE ? Pourquoi les caméras sont-elles limitées dans leur capacité de plage dynamique ? Les limites de la plage dynamique ont plusieurs causes, essentiellement en raison des propriétés physiques des pixels sensibles à la lumière des capteurs d’image. Prenons l’exemple de deux capteurs identiques qui ne diffèrent que par la surface de pixels et la capacité des puits liée à la taille. Quel capteur a une plage dynamique étendue ? La réponse est : celui ayant les plus grands pixels. En haut de la plage où le flux lumineux est très puissant, ils ne saturent pas aussi facilement que les plus petits, en raison de la plus grande capacité des puits. En bas de la plage où il y a peu de photons, la plus grande surface de pixels sensibles recueille davantage de photons et réduit l’incertitude (bruit) de mesure des valeurs basses.
Subsiste toujours un conflit entre le besoin d’augmenter la taille des pixels sensibles pour parvenir à une plage dynamique étendue et le besoin de la réduire pour augmenter la résolution spatiale. Souvent, la résolution spatiale qui est nominalement élevée en raison de la petite taille des pixels est fortement compromise par leur plage dynamique étroite qui provoque du bruit, de l’écrêtage ou les deux. Le bruit masque les variations subtiles du signal contenant les détails fins de l’image dans les ombres, tandis que l’écrêtage efface les détails des hautes lumières. Contribue au conflit entre plage dynamique et résolution spatiale l’aspect temporel de l’imagerie ; les objets dans le champ de vision sont susceptibles de bouger, provoquant un flou de bougé. Le flou de bougé est un facteur de réduction de la résolution spatiale car il étale les objets en mouvement sur plusieurs pixels adjacents. L’atténuation du flou de bougé exige de raccourcir le temps d’intégration qui, à son tour, augmente le bruit de la mesure. Le bruit détruit aussi la résolution spatiale en masquant les variations de signal subtiles. Pour résumer, la résolution effective du capteur peut être inférieure à sa valeur nominale en raison de la plage dynamique étroite des petits pixels, du flou de bougé et des mesures prises pour réduire ce flou.
RATIO ET NON PLAGE ABSOLUE Le concept de plage dynamique présente une caractéristique importante en ce qu’il est défini comme un ratio et non comme une valeur absolue. Cela signifie que différentes scènes ayant une plage dynamique identique peuvent avoir une luminosité moyenne complètement différente ou la plage absolue. Le même effet de décalage de la plage vers le haut ou vers le haut est le résultat de l’ouverture de la caméra, qui limite la quantité de lumière atteignant le capteur d’image. Une caméra dont il est spécifié qu’elle prend en charge une plage dynamique donnée produira donc des résultats différents pour des plages absolues et des ouvertures différentes car ses propres capacités ont des limites absolues, essentiellement en raison de la taille physique de ses pixels. En particulier, une scène ayant une plage dynamique donnée mais une luminosité moyenne inférieure (ou une ouverture plus petite) produira plus de
Les pixels plus petits augmentent la résolution spatiale mais ont une plage dynamique limitée
Les pixels plus grands ont une plage dynamique étendue mais une résolution spatiale réduite
bruit même si la plage dynamique est totalement prise en charge par la caméra, tandis qu’une scène où la plage est décalée vers le haut (ou l’ouverture plus grande) risque de produire un écrêtage, et potentiellement du bruit supplémentaire dans la plage médiane, spécificité des caméras WDR.
Il faut noter que la taille de l’ouverture qui limite la quantité de lumière arrivant sur le capteur affecte aussi la profondeur de champ, à savoir la distance entre les objets les plus proches et les plus éloignés dont la netteté est acceptable. Il y a donc un conflit entre le souhait de laisser pénétrer davantage de lumière de manière à réduire le bruit et le flou de mouvement et la volonté d’obtenir une image plus nette. La taille de l’ouverture est importante mais l’on ignore souvent que sa forme l’est aussi. La forme circulaire conventionnelle n’est pas la meilleure en termes de spectre de puissance des fréquences spatiales qu’elle laisse passer. Le spectre de puissance de l’ouverture circulaire contient plusieurs passages par zéro qui filtrent essentiellement une partie du contenu de la scène. Il existe des ouvertures dont la forme est moins conventionnelle, dont la réponse spatiale est bien meilleure et qui peuvent même laisser entre davantage de lumière sur le capteur. Leur utilisation exige cependant beaucoup plus de calculs lors du traitement de l’image.
MÉTHODE À EXPOSITIONS MULTIPLES
Existe-t-il un moyen d’aller au-delà des limites physiques du capteur d’image qui contraignent la plage dynamique de la caméra ? Fort heureusement, la réponse est oui : l’approche la plus populaire est une méthode à expositions multiples. Au moins deux images sont prises à des durées d’exposition (vitesses d’obturation) différentes puis assemblées en une image unique à plage dynamique étendue. Des expositions plus courtes révèlent les détails de la scène dans les hautes lumières tout en perdant les détails des ombres, les expositions plus longues révèlent les détails des ombres tout en surexposant les hautes lumières. L’image WDR qui en résulte est composée de pixels provenant à la fois des images à obturation courte et longue : les pixels de l’image à obturation courte proviennent essentiellement des parties les plus lumineuses de la scène, ceux de la ou des images à obturation longue essentiellement des parties les plus sombres. La plupart
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