Essayons de comprendre la sensibilité ISO

Comme bon nombre d’entre nous j’ai été amené à découvrir le fonctionnement de la sensibilité iso sur le tas, en photo mais surtout en vidéo. Néanmoins, il y a quelques expérimentations que j’ai effectuées qui m’ont appris beaucoup de chose sur ce paramètre souvent mal connu. Le but est ici de les retranscrire et d’essayer de se poser les bonnes questions.

Ceci étant, je n’ai pas la science infuse à ce sujet, vos remarques sont plus que bienvenues. Si mes réflexions sont le fruit de d’expérimentations et d’interrogations, elles peuvent parfois s’avérer incomplètes.

 

Qu’est-ce que la sensibilité ISO ?

La sensibilité ISO est la sensibilité de votre capteur à la lumière. Pour comprendre, une simple métaphore suffira: face à un timide soleil de printemps une peau métissée bronzera plus vite et sera « moins » sujette aux coups de soleil qu’une peau blanche (résumons). En somme, la peau métissée dispose donc d’une meilleure sensibilité que la peau claire. C’est à peu de chose près pareil pour un capteur numérique, plus il sera sensible, plus il sera efficace en basse-lumière. Son type (CMOS, Foveon, CCD), sa définition (24, 36, 40mpx…), son fabriquant (Sony, Toshiba, Samsung, Canon…etc) ou l’année de fabrication sont autant de paramètres à prendre en compte pour évaluer la sensibilité d’un capteur que nos gênes pour la sensibilité de notre peau.

Naturellement, je ne reviendrai pas sur le fait « que plus les photosites sont gros, plus votre capteur est sensible …etc. » Ça a déjà été dit 1001 fois, surtout ici.

 

Comment fonctionne la sensibilité ISO ?

Lorsque que votre capteur est exposé à la lumière, les diodes se chargent et enregistrent un signal électrique, une information. En augmentant la sensibilité ISO, on augmente à proprement parler le signal reçu. Le principe est identique à celui qui consiste à monter le volume sonore de nos enceintes. Et comme pour le son, l’augmentation du signal est liée à un parasite très gênant: le bruit. Dans tous les signaux qui existent le bruit est une composante indissociable du signal. Il s’agit d’une erreur de lecture, d’un parasite. Si le volume sonore enregistré est faible, lors de l’augmentation du son on entendra davantage les défauts d’enregistrement (les grésillements et autres défauts), que le véritable signal. C’est exactement le même principe pour la capture d’image.

En l’absence de signal les choses se gâtent sérieusement. J’ai effectué un premier essai pour observer le comportement du capteur du Sony A7s à sa sensibilité maximale (102 400 ISO !). L’appareil a été couplé à un 85mm ouvert à f/1,8, seul le temps de pose diffère (1/60, 1/125 et 1/250) pour exposer sur une plage -1 à +1 IL soit 3IL (-1,0,+1). Les deux images de -1 et +1 IL ont été ajustées sur ordinateur.

 

Cliquez pour agrandir.

Le résultat est sans appel, en sur-exposant l’image (avec un surplus de signal donc) les 102 400 ISO sont acceptables et le bruit est bien mieux contenu. A l’inverse, l’image sous-exposée peine à être exploitable. Il s’agit tout simplement de l’exposition à droite, une technique très appréciée des astrophotographes.

Attention toutefois en sur-exposant les hautes sensibilités sont moins efficaces que la sensibilité native de votre capteur: les détails et la dynamique s’afficheront moins bien.

 

Pourquoi les hautes sensibilités génèrent-elles du grain ?

A proprement parler ce ne sont pas les hautes sensibilités qui génèrent du bruit mais le manque de lumière et par extension, le manque de signal. Dans la plupart des situations nos habitudes nous poussent à augmenter la sensibilité en dernier recours, ce qui nous incite à croire que cette dernière a une influence directe sur le bruit. Elle a un impact, certes, mais pas aussi important.

C’est là que tout se complique: si je prends deux photos dans des conditions difficiles, l’une à 100 ISO et l’autre à 10 000 ISO, il serait logique que la deuxième photo soit plus bruitée que la première: le signal reçu étant le même, seule l’amplification a été modifiée. Et bien non, voyez par vous-même:

 

Cliquez pour agrandir.
Voici deux images prises en RAW avec le Sony A7s à respectivement 100 ISO à f/5,6 durant 0,6s et 10 000 ISO à f/5,6 durant 0,6s*. La première photo a été ajustée à +5IL sur ordinateur (le maximum), elle est pourtant bien plus bruitée dans les zones sombres.

Étrange, non ? Pourtant la capture du signal est identique, seule l’amplification de celui-ci diffère. Je veux bien croire qu’un appareil plein format** soit à l’aise avec les hautes sensibilités ISO mais de là à ce qu’il soit meilleur qu’à sa sensibilité native…

 

De gauche à droite: l’histogramme de la photo originale sous-exposée à 100 ISO, de la même photo ajustée à +5IL, et de la photo correctement exposée à 10 000 ISO.

L’observation des histogrammes me paraît assez flagrante, si la sensibilité ne créé pas de signal il est évident qu’elle agit dessus avant que celui ne soit enregistré: le signal s’étend davantage sur l’histogramme, il y a plus d’informations. A ce stade, on peut affirmer que la sensibilité ISO « agrandit la plage du signal reçu »  (à ne pas confondre avec plage dynamique) ce qui permet une meilleure lecture de l’image et donc moins de bruit.

On pourrait penser que l’augmentation de la sensibilité de l’appareil et l’ajout de luminosité sur logiciel seraient à peu de chose près le même procédé. Il n’en est rien: le premier est appliqué avant l’enregistrement du fichier directement sur le signal original, le second s’applique après la sauvegarde du fichier et sur le signal de celui-ci. Et c’est toute la différence, car même si le RAW est un outil très puissant il a des limites (quantification, , échantillonnage, compression…etc) liée au principe même de l’enregistrement de fichiers numériques.

La théorie la plus logique serait qu’à 100 ISO, les basses-lumières ne sont pas suffisamment fortes pour être correctement enregistrées par le capteur, qu’elle seraient « en dehors » de l’histogramme et donc en dehors de sa plage dynamique car trop sombres (voir: Qu’est-ce que la dynamique d’un capteur ?). Ce qui expliquerait les erreurs de lecture (le bruit donc) lors de l’ajustement de la luminosité sur ordinateur. L’amplification de la sensibilité du boîtier permettrait alors de centrer le signal dans l’histogramme et d’améliorer sa lecture. Les hautes sensibilités seraient-elles un moyen de limiter le grain sur nos images? Ça me paraît un peu fou pour être honnête mais on n’est pas à l’abri d’une bonne surprise. C’est la seule théorie que j’ai à l’heure actuelle. Les vôtres sont les bienvenues !

 

*J’ai bien enregistré un fichier exposé à 3200 ISO soit 5 diaphs de plus, mais l’exemple est encore plus probant avec le fichier à 10 000 ISO (presque 7 diaphs!).

** En plus d’avoir essayé avec un plein format, j’ai essayé avec le Nikon D7100, un APS-C, avec le même objectif (le Nikon 70-200 f/4) quelques jours plus tard. Impossible de reproduire les mêmes conditions lumineuses, mais le résultat est identique.

 

Cliquez pour agrandir.
A gauche ISO 100 (ajusté de +3,7IL sur ordinateur), à droite ISO 1250. Dans les deux cas les photos ont été prises à f/5,6 durant 0,5s.

 

6 commentaires sur “Essayons de comprendre la sensibilité ISO

  1. Salut Héléux,

    comme tu le dis, ça démontre surtout que remonter une image sous-exposée par logiciel est moins efficace. Si tu reprends les photos à 100ISO en ajoutant de la lumière, donc sans autant remonter l’expo par logiciel, le constat s’inverse. La bonne chose à faire reste donc d’adapter la sensibilité ISO à l’exposition souhaitée. Les éléphants de couleurs différentes sur les 2 dernières photos?

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    1. Hello Alex,
      Concernant les éléphants de couleurs différentes, ils sont en réalité de la même couleur. il n’y a aucun trucage (si ce n’est l’ajustement de la luminosité qui vient tirer sur le vert). La sensibilité du D7100 est assez étonnante pour le coup.

      Mais du coup, ça veut dire que le traitement de la sensibilité ISO est bien différent de celui qu’applique le logiciel. Je t’avoue que j’en suis (toujours) assez surpris.

      « ça démontre surtout que remonter une image sous-exposée par logiciel est moins efficace. » Je n’aurais pas dit mieux 😀

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      1. C’est pourtant compréhensible, sur le capteur le signal amplifié est le signal d’origine avant enregistrement, sur le logiciel c’est le signal après enregistrement 😉 . Comme en audio d’amplifier le volume directement au micro au lieu de le faire sur un enregistrement.
        Oui, le capteur 24MP APS-C de Nikon (enfin de Sony 🙂 ) est de très bonne qualité, maintenant que j’ai troqué le D7100 pour un D5500 je peux le confirmer: sur la qualité d’image aucune différence entre les derniers D3x00/5×00/7×00 excepté les D7500/500 et leurs 20MP mais je ne pense pas qu’on puisse vraiment donner un gros avantage là-dessus sur ces derniers, l’important reste l’objectif (petite séance au D5500 avec le 85mm f/1.8G semaine dernière, ils vont bien ensemble même si toujours ces AC lol).

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        1. En parlant du 85/1,8G tu n’aurais pas une alternative ?
          J’en ai assez d’avoir un 85mm pour les portraits et un 135mm pour l’astro. Dans l’idée j’aimerais n’en avoir qu’un seul pour ces deux disciplines… J’ai bien pensé au 105mm f/1,4 de Nikon mais il est trop cher.

          Pour être honnête le 85mm de Tamron me paraît être une bonne option… Il y a bien les Sigma mais ils sont lourds (pour moi c’est pas un problème mais il faut penser à la monture équatoriale) et un peu cher…

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          1. Franchement, si tu ne peux pas partir sur le 105 f/1.4 de Nikon ou de Sigma, autant larguer le 135 et effectivement soit rester sur le 85 f/1.8G soit passer au Tamron meilleur et stabilisé (bon pour la vidéo) avec au pire un peu de recadrage. Dommage que Nikon ne nous ait pas encore sorti une version f/1.8 😉 . Il y a aussi le 135 f/1.8 Art, un peu cher aussi mais déjà moins que le 105 Nikon avec à peu près le même poids et la même qualité (même un peu mieux sur la coma pour l’astro).
            A choisir oui, le 85 f/1.8 Tamron ou éventuellement le 135 f/1.8 A Sigma.

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