Correction gamma

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En photographie, cinématographie et vidéo, la gamma caractérise le rendu en contraste d'un support photosensible (émulsion photographique ou pellicule, capteur CCD ou CMOS...) ou d'un signal visuel électronique.

Du fait de la non linéarité des tubes cathodiques, une correction de gamma est nécessaire dans le traitement des images vidéo.

[modifier] En photographie et cinématographie

Le gamma, ou facteur de contraste, caractérise la pente de partie rectiligne de la courbe de Hurter-Driffield, ou sensitogramme, qui trace la densité D (ou le logarithme de l'opacité) de l'image d'un film suivant le logarithme de la lumination H reçue par lui. La lumination, parfois appelée exposition, est le produit de l'éclairement reçu par l'émulsion photographique par le temps d'exposition. Sa formule générale est donc :

${\gamma}=\frac{\vartriangle{D}}{\vartriangle{LogH}}$

Les valeurs des points de la courbe à prendre en considération dépendent des émulsions (noir et blanc, négative, inversible) et des normes utilisées (Agfa, Kodak...).

Cette pente caractérise donc le contraste de l'émulsion : plus elle est élevée, plus l'émulsion est contrastée et inversement.

Du fait du noircissement de l'émulsion négative à la lumière, celle-ci présente une pente positive, quand le gamma d'une inversible est négatif.

On note que le contraste varie dans le pied et dans l'épaule de la courbe, mais le gamma est calculé sur la partie rectiligne uniquement.

On note également que dans le cas d'un tirage papier en photographie ou d'un tirage positif en cinématographie, le contraste apparent de l'image observée est le produit du gamma de l'émulsion utilisée à la prise de vue et de celui du support de tirage. Ainsi, un transfert correct est assuré lorsque le produit de ces gamma est égal à 1.

En photographie inversible (diapositive) et cinématographie, et afin de compenser la perte de contraste de la projection, le gamma des émulsions positives et typiquement supérieur à 1. Aussi, celui des négatives est typiquement inférieur à 1.

Si les émulsions photographiques présentent une partie rectiligne, et, de ce fait, un gamma linéaire, ce n'est pas le cas des systèmes vidéo à tube cathodique.

[modifier] En vidéo et imagerie électronique

La caractéristique de gamma est une relation suivant une loi de puissance approchant la relation liant l'amplitude de la luminance (en Volt) d’un signal de télévision et la luminance (en cd/m²) réelle de l'image sur l'écran à tube cathodique.

En effet, un tube cathodique se comporte de telle manière que lorsque l'amplitude du signal d'entrée est faible, il ne réagit que très peu à ce signal ou à ses variations de faibles amplitudes et ne les reproduit pas. La pente dans cette partie est faible. On pallie d'ailleurs ce problème en déterminant un courant de défaut non nul, c'est à dire que dès lors que l'on souhaite que les détails de faible amplitude soient lisibles, le noir ne doit pas être d'amplitude nulle mais, d'environ 30 mV. C'est le "niveau de noir" préconisé dans l'imagerie audiovisuelle broadcast. Néanmoins, le contraste est faible dans les basses lumières.

Lorsque le signal est d'amplitude élevée, au contraire, le contraste est important et le risque est grand de voir des zones claires reproduites comme du blanc.

Avec cette relation non linéaire, des pas égaux successifs de luminance encodée correspondent à des pas subjectivement égaux dans la luminosité perçue. Les systèmes graphiques numériques qui requièrent une relation linéaire entre ces quantités utilisent une correction de gamma. L'illustration suivante montre les différences entre une échelle d'intensité croissante linéaire (donc avec une correction gamma), et une échelle avec un signal de luminance à croissance linéaire (sans correction).

Intensité linéaire	I = (Couleur HTML)	0.0 #000000	0,1 #656565	0,2 #858585	0,3 #9D9D9D	0,4 #B0B0B0	0,5 #C1C1C1	0,6 #CFCFCF	0,7 #DDDDDD	0,8 #E9E9E9	0,9 #F4F4F4	1,0 #FFFFFF
Encodage linéaire	V_S = (Couleur HTML)	0.0 #000000	0,1 #191919	0,2 #333333	0,3 #4C4C4C	0,4 #666666	0,5 #7F7F7F	0,6 #999999	0,7 #B2B2B2	0,8 #CCCCCC	0,9 #E5E5E5	1,0 #FFFFFF

Dans la plupart des écrans (c'est-à-dire ceux ayant un gamma normalisé de 2,5), on peut observer que l'échelle d'intensité linéaire a un large écart de luminosité perçue entre les intensités de 0,0 et 0,1 alors que les écarts perçus à l'autre extrémité de l'échelle sont plus difficilement perceptibles. L'échelle codée linéairement, qui a une intensité de croissance non linéaire, montre des pas très nettement plus réguliers dans la luminosité perçue. Les valeurs extrêmes 0,0 et 1,0 ne sont pas modifiées.

Ces deux carrés devraient apparaître avec des luminosités égales

Sur un moniteur avec entrée analogique, la bande passante limitée du signal peut faire que les bandes verticales alternées blanches et noires paraissent d'une luminosité différente de celle des mêmes bandes simplement tournées horizontalement. Les deux carrés de l'image de gauche peuvent ainsi apparaître d'intensité différente.

Si votre navigateur internet n'effectue aucune correction gamma sur les images, alors vous pouvez aisément voir, sur l'échelle de droite, la valeur gamma combinée de votre moniteur et de votre carte graphique, en repérant le niveau où l'intensité des bandes blanches et noires alternées est la plus proche de la luminosité dans l'échelle de gris affichée à leur droite.

Un tube cathodique (ou CRT, cathode ray tube), par exemple, convertit un signal vidéo en lumière de façon non linéaire, car le canon d'électrons qu'il contient est un dispositif à réponse non linéaire. L'intensité de lumière I est liée à la tension source V_S suivant la formule approchée :

$I \approx k . V_{\rm S}{}^{\gamma}$

où γ est la lettre grecque gamma, et k une constante dépendant de l'alimentation de chauffage du canon à électron, et du luminophore utilisé, le gain étant contrôlé par la tension d'accélération. Pour un tube CRT, γ vaut environ 2,5. Par coïncidence, ceci résulte dans l'échelle homogène perçue dans le diagramme en haut de cette page.

Par simplicité, considérons l'exemple d'un tube monochrome. Dans ce cas, quand un signal vidéo de 0,5 (représentant le gris médian) alimente l'affichage, l'intensité ou brillance perçue n'est que de 0,21 environ (ce qui donne un gris sombre). Le noir pur (0,0) et le blanc pur (1,0) sont les seuls tons qui ne soient pas affectés par l’exposant gamma.

Pour compenser cet effet, la fonction de transfert inverse (correction de gamma) est parfois appliquée au signal vidéo de sorte que la réponse de bout en bout devienne linéaire. En d'autres termes, le signal transmis subit une distorsion délibérée - dès la production de l'image, par exemple, en caméra - de sorte que, après que le dispositif d'affichage le distorde à nouveau, le spectateur puisse voir la luminosité attendue. L'inverse de la fonction ci-dessus est simplement une autre fonction gamma :

$V_{\rm C} \approx k' . \frac{V_{\rm S}{}^{(1/\gamma)}}{k}$

où V_C est la tension corrigée et V_S est la tension source (provenant par exemple d'une caméra ou un enregistreur vidéo), et k’/k une constante de gain. Dans l'exemple du tube cathodique, 1/γ est 1/2,5 soit 0,4.

Un tube cathodique couleur reçoit trois signaux vidéo (rouge, vert et bleu) et en général chaque couleur a sa propre valeur de gamma, notée γ_R, γ_V ou γ_B. Cependant, dans les affichages les plus simples, une seule valeur de γ est utilisée et ajustable pour chacune des trois couleurs composantes.

D'autres dispositifs d'affichage ont des valeurs différentes de gamma : par exemple, l'affichage d'une Game Boy Advance a un gamma élevé entre 3 et 4 dépendant des conditions de luminosité ambiante. Dans les affichages à cristaux liquides (LCD) tels que les panneaux d'affichage des ordinateurs portables, la relation entre le signal de tension V_S et l’intensité I est fortement non linéaire et ne peut pas être décrite par une simple valeur gamma et les écrans à plasma permettent un transfert linéaire. Cependant, ces affichages appliquent tous une courbe spécifique de correction à la tension d'entrée afin d'approcher au mieux le comportement d'un moniteur cathodique à fonction de transfert où γ=2,5. En enregistrement de télévision NTSC, γ est 2,2. En effet les images produites sont a priori corrigées pour la diffusion sur tube cathodique.

La fonction gamma, ou son inverse, à une pente infinie en zéro. Cela conduit à des problèmes durant la conversion depuis ou vers l'espace colorimétrique gamma. Pour cette raison la plupart des espaces colorimétriques définis et calibrés formellement tels que sRGB définissent un segment de droite près de zéro, et ajoute décalent la tension d'entrée x en x+K (où K est une constante) à la puissance, de sorte que la courbe obtenue et l'enveloppe de ses tangentes restent continues. Cette ligne droite ne représente pas ce que produit effectivement le tube cathodique, mais fait en sorte que le reste de la courbe corresponde de façon proche l'effet de la lumière ambiante sur le tube cathodique. Dans de telles expressions, l'exposant de cette dernière courbe n'est pas le gamma : par exemple la fonction sRGB utilise une puissance de 2,4, mais ressemble plus à la fonction de transfert gamma 2,2.

[modifier] Terminologie

Les noms des diverses quantités sont quelque peu trompeurs. Le terme intensité se réfère strictement à la quantité de lumière émise par unité de temps et de surface, exprimée en unités de un lux. Cependant, dans de nombreux champs d'études scientifique, cette quantité est appelée émettance lumineuse, en opposition à l’intensité lumineuse qui est une quantité différente.

La luminance, peut signifier différentes choses, même dans le seul contexte de la vidéo :

La luminance est la brillance apparente d'un objet, prenant en compte la sensibilité de l'œil humain dépendante de la longueur d'onde (exprimée en cd/m²) ;
La luminance (vidéo) est le signal vidéo encodé, c'est-à-dire similaire au signal de tension V_S.

De même la luminosité ou brillance peut se référer à la "quantité de lumière", soit avant, soit après application de la loi de puissance gamma.

[modifier] Un simple test de votre moniteur

Test gamma de moniteur

Pour savoir si votre moniteur d'ordinateur est correctement ajusté, et peut afficher correctement les ombrages les plus détaillés, vous devriez entrevoir très faiblement (ou pas du tout) dans l'image ci-contre la moitié gauche très foncée du disque dans le carré de fond noir, mais la moitié droite (très légèrement plus claire) devrait être clairement visible. Sinon commencer par ajuster le niveau de blanc sur le réglage de base du moniteur en fonction de la luminosité ambiante, avec un contraste confortable entre le noir et le blanc, dans une pièce bien éclairée en journée.

Puis, si vous le pouvez, utilisez les réglages avancés de votre carte graphique pour que l'accord de niveau de gris sur l'échelle gamma de droite se situe près de la valeur théorique normalisée gamma=2,2. Enfin, ajustez plus précisément la lumière et le contraste du moniteur en utilisant l'image test de gauche afin que la moitié gauche soit à la limite de la disparition dans le fond noir. Lors des changements de luminosité ambiante, vous ne devriez ajuster que la luminosité du moniteur, sans avoir à toucher au contraste ni aux réglages gamma de votre carte graphique.