Taille des capteurs et bruit numérique

Pourquoi investir dans les 12,16 ou 24Mpx,  voire plus, d’un Reflex alors que certains Compacts, vendus bien moins chers, proposent la même «définition» ? Pourquoi choisir un Reflex équipé d’un capteur 24×36 (Full Frame), plutôt qu’un Reflex APS-C, ou pourquoi un APS-C plutôt qu’un Bridge ou un Compact ? Et bien ..

Capteur et bruit numérique

Pourquoi investiriez-vous dans les 12,16 ou 24Mpx (millions de pixels), voire plus, d’un Reflex alors que certains Compacts, vendus bien moins chers, proposent la même «définition» ?

Pourquoi choisir un Reflex équipé d’un capteur 24×36 (Full Frame), plutôt qu’un Reflex APS-C, ou pourquoi un APS-C plutôt qu’un Bridge ou un Compact ?

Grands sujets!

De manière générale, parce que le rendu de l’image que vous prendrez est de bien meilleure qualité, tant dans les détails que dans la gestion de la profondeur de champ.  De plus, les grands capteurs gèrent (beaucoup) mieux les prises de vue en basse lumière.

Encore faut-il le démontrer!  Allons-y.

Le bruit numérique maîtrisé

Avant l’arrivée du numérique, le capteur photographique le plus populaire était le film (pellicule argentique 35mm) lui-même dont le format « 24mm x 36mm » a servi de base à l’élaboration de tous les standards que nous connaissons aujourd’hui, notamment pour la définition des longueurs focales que nous retrouvons sur les objectifs.

L’image ainsi captée se trouve «imprimée» sur le film et doit être développée suivant une méthodologie et des techniques bien définies.

L’arrivée des technologies liées à la transformation de la lumière en courant électrique, et les technologies liées à la miniaturisation des composants ont permis la création de composants «photo sensibles».

Les composants qui captent la lumière sont représentés par les fameux «pixels». Ils sont fabriqués pour ne capter qu’une lumière primaire – Rouge ou Vert ou Bleu. Il faut au minimum 3 pixels pour définir une couleur. Dans la majorité des appareils modernes, vous trouverez 1 capteur Rouge, 1 capteur Bleu et 2 capteurs Vert.

Il «suffisait» dès lors, pour les constructeurs (ces petits malins), de placer un nombre suffisant de « Pixels » sur une surface suffisamment petite pour pouvoir l’intégrer dans un boitier compact.

Le capteur était né et avec lui, la photographie numérique (merci beaucoup).

Au jour d’aujourd’hui, ces capteurs existent sous différents formats dont les principaux sont repris dans la figure ci-dessous (les proportions sont respectées).

Il existe des capteurs d’un format plus grand que le 24×36 mm, on parle alors de « moyen format ». Le Pentax 645D qui est sorti récemment a un capteur de 36x44mm et 40Mpx. Son prix tourne autour des 10.000€. Ce capteur est le même que celui qui équipe le Hasselblad H4D-40 qui est … encore plus cher.

Au delà, il existe encore les chambres 4,5×6, 6×6, 6×7, 6×9 …cm qui demandent encore des films argentiques.
Il existe encore d’autres formats, tels que le 4/3 qui est un peu plus petit  que le format APS-C (et, comme son nom l’indique, son rapport est de .. 4 sur 3. Il produit des images plus « carrées »).  Je renvoie les matheux vers le second article sur le sujet .. 🙂

La figure suivante montre quelques exemples de boitiers dans lesquels ces capteurs sont installés….. et leurs prix (Avril 2012 – Source  www.wshop.be ).

Le nombre de pixels sur un capteur s’appelle la «Définition».
10 Mpx représente une définition de 10 millions de pixels ;
22,3 Mpx représente une définition de 24,5 millions de pixels.

Du tableau, il y a immédiatement une chose qui saute aux yeux :

16 Mpx sur le Nikon D4 (format 24×36) et 14 Mpx sur le Nikon Coolpix S3100 (format 1/2,3’’). Maintenant comparez lez tailles des rectangles OR (24×36) et BLEU (1/2,3’’) du dessin (Figure 1) !!!

Pour faire tenir ces 14 Mpx sur la surface BLEUE, il faut que les « Pixels » soient plus petits que ceux qui occupent la surface OR… environ 30x plus petits …. en fait.

Et il n’y a pas de secret, plus les « Pixels » sont petits, moins ils captent de lumière!

Moins ils captent de lumière, moins ils produisent d’électricité (souvenez-vous qu’ils transforment la lumière en électricité).

Moins ils produisent d’électricité, plus il faut amplifier ce signal électrique pour qu’il soit utilisable par le processeur de l’appareil !

Le signal électrique ainsi produit n’est pas «pur». Il contient des imperfections, des parasites, que l’on nomme le «bruit numérique», comparable au «grain» en argentique. Pour visualiser ce bruit numérique, voici quelques graphiques (les échelles sont personnelles et ne servent que à visualiser le phénomène) :

I1 : Intensité électrique initiale du courant produit avec un petit capteur (1/2,3’’ par exemple) en BLEU, avec son «bruit numérique» en GRIS

I1’ : Le même signal amplifié. On voit que la courbe du bruit numérique est amplifiée dans les mêmes proportions

 

 I2 : Intensité initiale d’un grand capteur en VERT (APS-C par exemple) avec son bruit numérique en GRIS.

On voit bien l’intensité différente du «bruit» (en GRIS) pour un signal global d’intensité (de hauteur) équivalente.
Si j’osais le dire …. il n’y a pas photo .. :o)

Ce phénomène est comparable à ce que l’on connaît en enregistrement musical, sauf qu’ici, on « voit » le bruit au lieu de l’entendre.

Mais ce bruit numérique, d’où vient-il ?

La majorité du bruit provient de la conversion analogique/digital A/D. En effet, la lumière est « Analogique » et le signal ressemble, de manière très (très très) simplifiée, à une sinusoïde. Le fichier stocké sur la carte mémoire est « digitale » (des 1 et des 0). Elle est ainsi produite par un procédé appelé : Quantification.

 

Un convertisseur « transforme » le signal « analogique » en signal « digital ». Ce schéma est très (très) simplifié également .. 😮

Ce signal digital contient des informations de couleur, d’intensité, etc…

Un codeur 8 bits produit une « colonne » contenant 256 informations.

Un codeur 14 bits produit une « colonne » contenant … 16.384 informations.

On trouve peu d’info sur le nombre de bits produit par les compacts. Sur les reflex, certains bridges et compacts « haut de gamme », il est possible de sauvegarder les images au format RAW 12bits (4096 infos). Sur les modèles supérieurs, il est possible de sauvegarder en 14 bits.

Ce format contient toutes les informations telles que « captées » et avant l’application de quelque filtre numérique que ce soit. Il est très apprécié des photographes qui souhaitent « développer » leurs photos numériques eux-mêmes.

Notre fameux « bruit numérique» se trouve en fait sur la sinusoïde.. et en pratique, les colonnes sont beaucoup plus étroites que celles présentées plus haut. Quand le bruit est important, il peut faire « croire » au convertisseur A/D que la colonne doit avoir une hauteur (plus haut ou plus bas) qui sera différente de celle produite sans « bruit numérique». Au plus le bruit est important, au plus l’erreur d’interprétation du convertisseur est grande.

 

L’image ci-dessus (trouvée sur le net) montre ce que pourrait être le signal produit .. avec son bruit (le bruit étant représenté par une petite sinusoïde qui court sur la grande).

En pratique, ce phénomène agit sur la netteté et le contraste.

Voici un exemple trouvé sur le net (zoom sur un détail d’image plus grande) :

Sur la partie basse, la netteté n’est pas au rendez-vous. A chaque transition de couleur, il y a un mélange entre ces couleurs. Les bords des livres ne sont pas « tranchés » et les « aplats » (zones … plates) sont tachées. Il y a des différences notables dans la manière dont le contraste est rendu.

J’entends déjà des cris …. Aaaahhh, je viens d’acheter un compact ….  PAS DE SOUCIS  😮

Le bruit devient très visible dans les circonstances suivantes :

– Ma photo est prise dans un environnement sombre. L’appareil (mode auto) ou le photographe utilise alors une valeur de sensibilité élevée (ISO 1600, 3200, ..) qui se traduit en fait par une (sur) amplification du signal électrique … et de son bruit.

– Je fais des tirages de grande taille (A3 et plus). La qualité de l’image prend ici tout son sens. Au plus j’agrandis, au plus je vois les détails… au plus je vois le « bruit ».

Pour des tirages classiques (photos d’albums ou inférieurs à un A4), ces phénomènes de « bruit numérique » ne se distinguent pas .. ou très peu.

Soyez rassurés donc !

Ceci dit, il reste quelques explications à donner .. !

Types de capteurs

On distingue, dans les formats illustrés, 4 grands types d’appareils photos :
• Les Compacts
• Les Bridges
• Les Reflex ou Mirrorless « Petit capteur » (APS-C, APS-H)
• Les Reflex ou Mirroless « Grand capteur » (24×36 ou « Full Frame »)

Les Compacts intègrent quasiment tous un capteur 1/2,5’’ , 1/2,3’’ ou 1/1,7’’.

L’objectif est inclus dans l’appareil et il n’y a pas de possibilité d’en changer.

La plupart du temps, il ne proposent pas d’autre système de visée que l’écran de l’appareil …. et s’il proposent un viseur optique, il est souvent de piètre qualité.

Le format de l’appareil est … compact … et permet de le mettre en poche assez facilement. Les paramètres de prise de vue sont en général définis par l’appareil, éventuellement au travers de modes « scènes » que l’on choisit en fonction de la situation qui se présente. Seul le zoom reste à la discrétion du photographe.

Ils sont parfois équipés d’un zoom optique (les lentilles bougent) ET d’un zoom numérique : l’image, au zoom maximum est agrandie numériquement par l’appareil. En général, l’utilisation de ces zooms numériques est à réserver à des usages occasionnels puisqu’on « zoom » alors aussi … le bruit ..

Les Bridges ou « hybrides » sont des appareils en général plus grand. Ils ressemblent déjà plus à un « Reflex » et sont équipés soit de capteurs 1/1,7’’ ou de capteurs APS-C. Leurs objectifs sont en général également solidaires du boitier (sauf pour les dernières réalisations tels que le Sony Nex ou le Nikon 1) mais ils offrent souvent des zooms de grande amplitude. La visée est, pour certains d’entre eux, déjà possible au travers d’un viseur optique.

Ces Bridges forment en quelque sorte une passerelle vers le monde du Reflex.

Les Reflex sont encore plus grand. Ils sont équipés de capteurs APS-C (ou APS-H pour certains modèles chez Canon) ou de capteurs 24×36 (le format usuel de l’argentique). La visée se fait en priorité à l’aide d’un viseur optique qui restitue l’image qui passe par l’objectif. Les objectifs sont interchangeables, chacun dans sa marque, sachant que les objectifs prévus pour les capteurs APS-C ne se montent pas sur les Reflex équipés d’un capteur « Full Frame » (Si vous le faites, vous obtiendrez une image circulaire)

La manière dont chacun d’eux gère le « bruit numérique», et par là même, leur performance en « basse lumière », est assez différente.

Dans les différentes catégories de film argentique, on retrouve une dénomination en « ASA » ou « ISO » qui désigne la sensibilité du film, c’est à dire sa capacité à « enregistrer » la lumière en un temps donné. Pour tirer des images en plein soleil, on choisit des films à sensibilité basse (50, 100 ISO). Au moins la lumière est présente, au plus la valeur ISO augmente.

Cependant, une chose ne varie pas : la qualité de l’image !

En numérique, il en va autrement.

Tous les capteurs, petits ou grands, ont une valeur ISO nominale, 50, 100 ou 200 ISO, pour laquelle le capteur est optimisé. C’est à cette valeur que le capteur offre le meilleur rapport signal/bruit.

Maintenant, on imagine mal devoir changer son capteur quand la lumière faiblit ! Donc, les constructeurs ont prévu une astuce « électronique ».

Quand la lumière faiblit .. et qu’on ne dispose pas d’un flash … ou que l’on ne souhaite pas l’utiliser, il est possible d’augmenter artificiellement la sensibilité d’un capteur électronique. Je dis « artificiellement » parce qu’en réalité, l’appareil amplifie (à nouveau) le signal généré par le capteur. Lorsque je passe de 200 à 400 ISO, je dis au capteur de multiplier par deux le signal … et à chaque pas (ou STOP), je re-multiplie par 2 le signal ( 400 – 800 – 1600 – 3200 ISO ).

Si je ne touche pas à l’ouverture du diaphragme, la conséquence immédiate du passage d’un pas à l’autre est que mon temps d’exposition diminue de moitié, et si ce temps diminue de moitié, le capteur reçoit deux fois moins de lumière, donc génère un signal deux fois moins grand.

Pour que la photo soit correctement exposée, mon boitier amplifie alors le signal par 2 … et le bruit initial … aussi.

Prenons un exemple :

Imaginons qu’à 200ISO, le capteur offre son meilleur rapport signal / bruit, disons 1000 sur 2. Je prends une photo d’une scène A qui demande un temps d’exposition de 1/250è pour une ouverture de diaphragme donnée qui ne changera pas tout au long de l’exemple.

Lorsque je passe de 200 à 400 ISO, mon temps d’exposition passe de 1/250è à 1/500è. Le capteur reçoit 2 x moins de lumière.

Mon rapport initial de 1000 sur 2 devient 500/2.

J’amplifie ce signal/bruit par 2 (je double) pour retrouver une exposition correcte et mon rapport de 500/2 devient 1000/4

De 400 à 800ISO, rebelote … je passe à 1/1000è et mon rapport initial devient 250 sur 2 … et mon rapport final 1000 sur 8

De 800 à 1600 ISO : 1/2000è, rapport initial 125 sur 2 et rapport final 1000 sur 16

On voit qu’à chaque pas, le niveau de bruit ….. double 2, 4, 8, 16

Cette astuce électronique permet en fait de conserver des temps d’exposition suffisamment courts, lorsque la lumière est faible, pour ne pas avoir de flou de bouger.

Si je fais une photo à 200ISO et 1/30e avec un objectif de 50mm, le risque que mon image soit floue est assez grand.

En passant de 200 à 800 ISO, je passe aussi de 1/30 à 1/125è et mon image ne sera pas floue .. mais j’ai multiplié mon niveau de bruit par 4.

Revenons maintenant à nos moutons.

Imaginons que le capteur de l’exemple ci-dessus soit un capteur « Full Frame » 24×36 d’un Reflex de 12Mpx (Un Nikon D700) avec un rapport signal/bruit de 1000 sur 2 (un très bon capteur, je vous le dis) à 200ISO

Nous avions vu qu’un capteur 1/2,5’’ d’un Compact est équipé de « pixels » 30x plus petits.

La suite est caricaturale mais elle permet de comprendre :

Le processeur des 2 boitiers s’attend toujours à recevoir un signal d’une taille respectable, disons 1000

Pour mon Reflex, pas de soucis, j’ai un rapport de 1000 sur 2

Pour mon Compact, c’est différent, j’ai un rapport de 1000/30 sur 2 (puisque mes pixels sont 30x plus petits, ils génèrent 30x mois d’électricité), soit 33 sur 2

Je dois donc amplifier le signal initial de 30x .. pour obtenir 1000 et j’obtiens un rapport de 1000 sur 60

A 200 ISO, j’ai donc respectivement des rapports de 1000 sur 2 pour le Reflex et 1000 sur 60 pour le Compact.

Ceci explique pourquoi le niveau de détails et le contraste sont différents.

A 400ISO, j’ai respectivement 1000 sur 4 et 1000 sur 120

A 800ISO, 1000 sur 8 et 1000 sur … 240

A 1600ISO, 1000 sur 16 et 1000 sur …. 480 ! (ca devient infernal)

Etc…

Les valeurs que je prends ici sont exagérées intentionnellement.

Les différences ne sont pas, dans la réalité, aussi grandes mais les écarts sont tout de même significatifs. Ces exemples montrent en fait pourquoi les Compacts (en fait les capteurs) sont en général assez peu performants en basse lumière. Le niveau de bruit initial est plus important que celui des Reflex et l’amplification de ce bruit nuit à l’image. Les constructeurs décident alors de ne pas l’amplifier trop… pour conserver une certaine qualité..

Ces exemples montrent aussi pourquoi, par exemple, un Nikon D700, capteur 24×36 de 12Mpx est plus performant dans sa gestion du bruit que son très grand frère 3DX, capteur 24×36 de 24Mpx : la densité de pixels sur une même surface est double. Le signal généré est donc 2x plus petit.

D’autres facteurs interviennent aussi.

Les capteurs ne sont pas tous forgés dans le même bloc. Les technologies diffèrent – CCD vs CMOS – et le prix de ces technologies … aussi. Le CMOS, par exemple, amplifie et convertit lui-même le signal analogique en signal digital là où le CCD a besoin d’un convertisseur externe.

L’optique montée est également importante. Sa qualité participe aussi à la netteté et au contraste.

Tout le savoir-faire « logiciel » compte aussi (la manière dont les informations sont traitées, les filtres anti-bruit, etc..)

Le type de fichier produit : Jpeg ou RAW, compressé ou pas …

Disons que de manière générale, la qualité de l’ensemble des constituants d’un appareil photo augmente de manière homogène du Compact vers le Reflex et que l’ensemble de ces constituants fait passer le prix d’une centaine d’Euros à plusieurs milliers …

Et entre nous, j’ai vu des images prises avec un Compact qui étaient bien plus belles (quand on oublie la technique) que certaines prises avec des appareils « pro ».

C’est avant tout vous, le/la photographe, qui fait une photo, pas l’appareil !

Et Vous ?

A quelle sensibilité travaillez-vous ? Quand constatez-vous du bruit numérique sur vos images ? Quels logiciels anti « bruit » possédez-vous? La notion de « bruit numérique » sera-t’elle un paramètre lors d’un futur achat ?