Extrait Blog D850 bruit (
https://forum.nikonpassion.com/index.php?topic=172835.0) : «Je développe mes premières photos de mon D850 et là grosse surprise: j'ai du bruit inexplicable….Sur le net, je retrouve la même problématique avec le D850 mais on donne le remède (logiciel) mais pas la cause». Comme je retrouve souvent ces remarques sur le bruit numérique « surprenant » à bas iso (iso de base, iso 400, …) j’ai décidé de faire cette petite introduction.
1) un pixel de capteur photo convertit les photons qui tombent dessus en électrons (avec un certain rendement QE=quantum efficiency), eux-mêmes transformés en tension U par les circuits, tension qui est amplifiée puis transformée en nombre par le convertisseur Analogique/Numérique.
C’est au niveau de l’amplification que les iso interviennent.
Au delà d'un certain nombre d'électrons (full well capacity=FWC) le pixel sature. Cette FWC est de l'ordre de 60000 e- pour le D850 à 64iso.
Aux électrons venant des photons s’ajoutent des électrons venant d’autres phénomènes (dark current=génération d’e- au niveau du pixel, dépend de la température ; etc.).
2) la nature corpusculaire de la lumière ("photons") et leur arrivée aléatoire sur une surface fait qu'elle présente des fluctuations qui suivent une loi de Poisson.
En gros, quand une source de lumière "constante" éclaire un pixel d'un appareil photo, la quantité de photons qui tombent sur le pixel en une durée donnée n'est pas constante mais présente des variations.
La loi de Poisson dit que l'écart type (en gros la variation autour de la moyenne N de photons mesurés) est égal à la racine carrée de N (valide pour N>10 quand la loi est proche d'une loi normale).
Ça signifie donc que des pixels voisins sensés recevoir le même nombre de photons vont avoir des valeurs qui vont se situer à 95 % (loi normale…) entre N-2.√ N et N+2.√ N
3) le bruit numérique dans une image vient du bruit intrinsèque à ce comportement de la lumière ("shot noise" ou "photon noise", loi de Poisson ci-dessus) + le bruit de lecture (read noise) lui-même décomposé en bruit de lecture amont (tout ce qui se passe avant l’amplificateur) et bruit de lecture aval (bruit de conversion A/N) :
La partie amplification analogique dépend des ISO. Plus les ISO sont hauts, plus l’amplification sera importante (en gros proportionnelle aux ISO).
4) voyons ce que ça donne sur un gris RGB autour de 150 en supposant que le bruit de lecture est nul (capteur idéal). Ce gris correspond à environ 30 % de la luminance max (sRGB avec gamma de 2,2 ; je fais l’impasse sur les détails permettant de convertir un signal linéaire – le fichier raw – en un signal affiché sur l’écran, ça nous emmènerait bien trop loin...)
A 64iso, avec 30 % des 60000e- on aurait 18000e- capturés par le pixel et donc un écart type de racine carrée de 18000 soit 134e-. Ça donne une variation relative de 1/134 (bruit/signal), donc un écart type de 150/134=1,1 si on prend un signal à 150.
Maintenant, s'il faut shooter à 400iso (=64 x 6,25), pour arriver au même gris après la conversion A/N, le nombre de photons serait 6,25 fois plus faible à la prise de vue, soit 18000/6,25=2880e- (c’est l’amplificateur qui va ramener le voltage à la même valeur que précédemment à 64iso).
Ceci entraîne un bruit de photon de 54e- (racine carrée de 2880) et un rapport signal/bruit de 54, ce qui pour une luminance à 150 donne un écart type de 150/54=2,8.
Si je prend ton image (blog «D850 bruit» d’Arnaud971) et sélectionne dans le ciel une zone à peu près homogène de 50x50 pixels où la luminosité est d’environ 150, Photoshop me dit que l’écart type (Std Dev=standard deviation) est de 3,07.
Analyse d’une petite portion du ciel (où on peut considérer la lumière constante) à 300 %
C’est pas très loin de 2,8 (ne pas oublier que 2,8 est le minimum car j’ai supposé le bruit de lecture nul et considéré uniquement le bruit photonique qui est inévitable).
Ça explique aussi pourquoi des pixels plus gros seront moins bruités (un pixel 2x plus gros captera 4x plus de photons – surface ! – donc rapport signal/bruit 2x meilleur), mais en recombinant les pixels d’un capteur mieux résolu on peut en grosse partie arriver au même résultat…
Tout traitement sur l’image raw ou jpg (contraste, clarté, …) va influencer le bruit perçu (p.ex. une augmentation du contraste va augmenter l’écart entre pixels clairs et sombres et donc rendre le bruit plus visible).
La plupart des appareils haute résolution (D850, Z7, Sony Alpha 7RIV, Canon EOS 5R…) sont comparables dans ce domaine. A hauts iso d’autres facteurs interviennent, car les fabricants traitent en partie les valeurs brutes avant de les enregistrer dans le raw (le raw n’est plus un vrai raw, voir les discussions dans les forums astro où on parle des artefacts et disparitions d’étoiles que ça peut engendrer...).
Voilà c’est (un peu) simplifié mais ça permet de se remettre les idées en place. La physique de la lumière et des capteurs étant ce qu’elle est on ne pourra pas éviter le bruit , juste le mitiger en :
- adoptant les plus bas iso compatibles avec les contraintes d’exposition (temps de pose et diaph)
- exposer à droite (plus on a de photons, meilleur sera le rapport signal/bruit- il varie en 1/√ N où N est le nombre de photons captés)
- utiliser les techniques d’astrophotographie si le sujet ne bouge pas et qui consiste à prendre de nombreuses photos et faire une moyenne pour baisser le bruit (technique à l’oeuvre dans les derniers smartphones d’ailleurs…)
- utiliser un logiciel de traitement du bruit
Si vous êtes arrivés jusque là vous êtes bien courageux
(et le confinement vous redonne un peu de temps à consacrer à la photo – à moi aussi…).
Prenez bien soin de vous,
Daniel