Nikon D3S : tests de sensibilité et bruit
Mise à jour : 23/03/2010
Du bruit sur un mur blanc
En travaillant avec le Nikon D3S que je viens d'acquérir pour apprendre à m'en servir, j'ai fait une photo à 1800 ISO - sensibilité qui n'a rien d'extraordinaire - où un mur blanc présente du bruit sous forme d'une poussière de points noirs. La voici en format JPEG 2128x1416 (1 pixel au format JPEG pour 2 pixels de l'original, en longueur comme en largeur), où le bruit se voit au-dessus des deux fenêtres du fond, sous le plafond.
Photo à 1800 ISO où le mur blanc au-dessus de la porte médiane est bruité
Surpris qu'une zone puisse manquer de lumière à 1800 ISO, j'ai photographié à 3600 ISO une porte au fond d'un couloir très sombre : l'appareil restitue une luminosité normale, pratiquement sans bruit, comme on le voit ci-dessous ; le couloir et la porte paraissent bien plus lumineux sur la photo qu'en réalité.
Photo à 3600 ISO sans bruit
L'explication
La sensibilité ISO mesure l'amplification électronique du signal lumineux reçu par chaque photosite du capteur : plus elle est élevée au-dessus du minimum standard de 200 ISO du Nikon D3S, plus l'amplification est importante.
Par définition, un point noir du sujet n'émet aucune lumière, quelle que soit la sensibilité ISO ; il produit alors un point noir sur l'image. Plus exactement, chaque point de l'image provenant des quatre photosites représentant un pixel (un rouge, deux verts et un bleu), il apparaît noir si chacun de ces photosites est noir, mais il peut apparaître rouge, par exemple, si seuls les photosites bleu et verts sont noirs. Les points noirs du bruit de ma photo proviennent donc de points du sujet qui n'émettent pas de lumière.
Mais comment est-ce possible ? Comment une zone uniformément blanche d'un mur peut-elle comporter des points noirs ? L'explication est physique : les photons provenant d'un point donné du sujet n'arrivent pas tous en un même point de son image, ils se dispersent un peu autour d'un point de densité maximale. Certains photosites du capteur peuvent ainsi recevoir un peu moins de photons qu'attendu, d'autres un peu plus, et ceci dans chacune des trois couleurs rouge, vert et bleu.
La conversion de ces photons de couleur donnée en un nombre entier d'électrons par effet photoélectrique est suivie d'un comptage de ceux-ci qui produit un nombre. Ce nombre est compris entre 0 et 255 si la luminosité de la couleur est représentée sur 8 bits, et entre 0 et 65535 si elle est représentée sur 16 bits. Tous les nombres de photons représentés par une valeur inférieure à 1 sont traduits par zéro, tous les nombres représentés par une valeur comprise entre 1 et 2 sont traduits par 1, etc. Cette représentation produit donc du noir pour des lumières très faibles, et rend égales des luminosités correspondant à une différence de représentation inférieure à 1 : il y a un effet de seuil.
Cet effet de seuil est aggravé par l'amplification électronique analogique du nombre d'électrons de chaque photosite qui a lieu avant comptage, amplification dont l'imprécision peut augmenter ou diminuer le nombre trouvé, produisant ainsi parfois des erreurs de luminosité supérieures à une unité, c'est-à-dire du bruit. Voilà pourquoi des points faiblement éclairés du sujet peuvent se retrouver tout noirs, certains points noirs peuvent se retrouver gris, et certains points « bleu 210 » peuvent se retrouver « bleu 205 », nuance plus foncée.
Ce qui compte alors, c'est le rapport signal/bruit : plus la luminosité d'un point du sujet photographié est forte par rapport au bruit électronique de l'amplification ISO, plus les erreurs introduites par celle-ci et par sa traduction numérique sont négligeables. L'image d'une zone de luminosité uniforme contiendra alors quelques points de luminosité un peu différente, qui passeront inaperçus au milieu des points de luminosité correcte. Mais plus la luminosité uniforme est faible, plus il y aura de points représentés par du noir dans une ou plusieurs des trois couleurs fondamentales. Voilà pourquoi il y a une poussière de points noirs sur le mur blanc peu éclairé au-dessus de deux des fenêtres de ma photo à 1800 ISO.
Mais pourquoi n'y a-t-il pas de points noirs dans la photo de porte à 3600 ISO ? Parce que l'amplification ISO choisie, la même pour tous les points d'une photo, n'implique pas que dans un sujet globalement plus sombre (d'où le 3600 ISO au lieu de 1800) il y ait plus de points noirs que dans le sujet à 1800 ISO !
Conclusions sur l'origine du bruit
Les points noirs ou de couleur faussée d'une photo peuvent provenir :
§ Soit de points peu lumineux du sujet, dans une ou plusieurs des trois couleurs fondamentales, points qui peuvent exister quelle que soit la luminosité moyenne du sujet qui commande le choix de l'amplification ISO.
§ Soit de bruit électronique, qui fausse la traduction des luminosités de couleur.
Il est évident que plus un sujet est globalement sombre, plus on choisira une amplification ISO forte, et plus celle-ci a des chances de révéler de points noirs, une poussière de points noirs d'autant plus dense qu'elle affecte des zones sombres de l'image.
L'œil humain est sensible à la densité et au contraste des points bruités : un point bruité isolé au milieu de 100 points de teinte et luminosité correctes est d'autant plus ignoré que son contraste avec les points environnants est faible.
Mécanismes protecteurs des appareil photo
Les appareils évolués comme le D3S ont un mécanisme logiciel d'atténuation du bruit en cas d'exposition prolongée : ils soustraient de la photo la lumière du bruit électronique mesurée à diaphragme fermé pendant une durée égale. Ils ont aussi un mécanisme de réduction du bruit dû aux sensibilités ISO élevées, ainsi que divers mécanismes d'optimisation de l'exposition, du contraste, de l'accentuation, etc.
L'échelle de l'image
Avec ses 12 millions de pixels, mon Nikon D3S produit des photos de 4256x2832 pixels. Les deux écrans de ma station de travail PC ont beau être des 30 pouces de 2560x1600 pixels, aucun ne peut afficher une photo à l'échelle 1. J'affiche donc celles-ci en général à l'échelle 50% ou même 25%, réduction qui masque la plupart des pixels de bruit, isolés au milieu de nombreux pixels corrects. Un bruit modéré n'est donc visible, en pratique, que sur un agrandissement papier grand format, 40x60 cm par exemple, imprimé à la plus haute résolution utile à l'oeil nu, soit au maximum 9 points/mm (environ 240 points/pouce).
Les compressions JPEG
Les pixels de bruit isolés ont aussi de fortes chances de disparaître lorsqu'une photo en format natif (Raw, appelé NEF pour mon D3S) subit une compression pour être stockée en format JPEG, chaque pixel JPEG résultant de plusieurs pixels voisins du sujet.
Résultats de tests du bruit dû à la sensibilité ISO
Pour avoir une idée du bruit résultant de l'amplification associée à la sensibilité ISO, j'ai réalisé une suite de photos identiques à l'exposition près, dont la variation est due à celle de la vitesse. Le tableau ci-dessous donne les liens permettant d'accéder aux photos correspondantes, non retouchées.
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Sensibilité ISO |
Nikon NEF (Raw) |
Photoshop DNG |
JPEG |
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250 |
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400 |
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640 |
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1000 |
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2000 |
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3600 |
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7200 |
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11400 |
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25600 |
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51200 |
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102400 |
Résultats et fichiers correspondants
Conditions des tests de bruit de ISO 250 à ISO 102400
§ Appareil : Nikon D3S
§ Objectif : Nikon 105mm macro F/2.8 G
§ Photos sur pied avec déclenchement électronique
§ Enregistrement Raw 4256x2832 (NEF sur 14 bits)
§ Anti-vibration VR "ON" (oubli, mais n'a pas gêné la netteté)
§ Mise au point : automatique, mesure ponctuelle
§ Ouverture F/11
§ Mode d'exposition : "Manuelle" (vitesse et ouverture imposées par moi, ISO automatique choisi par l'appareil en fonction de la vitesse, qui a varié de 1/2.5s à 1/640s)
§ "Active D-Lighting" (optimisation par zones intervenant sur le contraste local et la luminosité locale de chacune) :
· "Normal" de ISO 250 à ISO 11400
· Supprimé automatiquement par l'appareil au-delà de ISO 12800.
§ "Picture Control" (mode "scène" optimisant automatiquement l'accentuation, le contraste, la luminosité, la saturation et la teinte) : Standard.
§ Gestion du vignettage : "Normal".
§ Photos examinées sur un écran de 30 pouces à 100 pixels/pouce Hewlett-Packard LP3065 à l'échelle 100% (1 pixel sur l'écran = 1 pixel de la photo).
Conclusions des tests
§ Le bruit est inexistant de ISO 250 à ISO 640.
§ A partir de ISO 1000, un très léger bruit apparaît sur la porte marron foncé derrière le bouquet de fleurs, porte qui est la partie la moins lumineuse de la photo.
§ A ISO 2000, le bruit très faible ne se voit que sur la porte, seule zone sombre. Le logiciel de retouche Nikon Capture NX2 le considère comme négligeable et ne propose pas de le réduire.
§ A ISO 3600, le bruit commence à affecter les tulipes ; Capture NX2 propose d'en réduire l'intensité de 15%, et de compenser ce "floutage" par une accentuation de niveau 7/10 et une réduction du bruit des bords de zone.
· Avec ce traitement, le bruit disparaît presque complètement sur les tulipes et un léger flou apparaît sur la porte.
· Sans ce traitement, un léger bruit est visible sur les tulipes et un bruit visible affecte la porte.
§ A ISO 7200, le bruit affecte un peu plus les tulipes et la porte qu'à ISO 3600, et Capture NX2 propose d'en réduire l'intensité de 19% et de compenser ce floutage par une accentuation de niveau 7/10 et une réduction du bruit des bords de zone.
· Avec ce traitement, le bruit devient très faible sur les tulipes et sur la porte.
· Sans ce traitement, le bruit est nettement visible sur les tulipes et sur la porte.
§ A ISO 11400, le bruit affecte les tulipes et la porte, malgré une compensation de 21%. La photo reste bonne même sans compensation, avec un affichage à l'échelle 50% (2128x1416 pixels) qui remplit presque totalement mon écran de 30" (2560x1600).
§ A ISO 25600, la photo est à peine plus bruitée qu'à 11400, grâce à une compensation de 38% ; elle paraît encore bonne à l'échelle 50%. Mais sans compensation, elle est « pleine de poussière ».
§ A ISO 51200, la photo est nettement bruitée, même avec une compensation de 40%. Elle est encore très exploitable avec cette compensation, surtout à l'échelle 50%. Sans compensation, elle est « pleine de poussière ».
§ A ISO 102400, la photo est extrêmement bruitée à l'échelle 100%, malgré une compensation de 41%. Compensée, elle reste exploitable à l'échelle 50% malgré le bruit, mais en l'absence de compensation le bruit salit beaucoup les tulipes. Enfin, à l'échelle 25% choisie pour le format JPEG, elle paraît correcte, les pixels de bruit disparaissant au milieu de ceux qui sont bons : une photo JPEG correcte à ISO 102400 !
Conclusions sur le D3S
§ Le D3S produit de bonnes photos JPEG même à ISO
§ 102400, à condition de ne pas dépasser l'échelle 25% (1064x708).
§ Le D3S ne peut pas faire de miracle en contournant les limites imposées par l'optique, ni pour le bruit électronique, ni pour la diffraction (voir "Choix d'un appareil photo numérique : critères optiques"). Malgré sa limite de sensibilité de 102400 ISO, il produit du bruit là où le rapport signal/bruit est défavorable.
Rappel : comment combattre le bruit ISO
§ Avoir le plus possible de lumière dans les zones sombres du sujet :
· Appareil photo dont le capteur a de gros pixels, le signal lumineux reçu par chacun étant proportionnel à son aire. C'est pourquoi j'ai choisi un Nikon D3S, dont les photosites de 8.5 microns de côté sont parmi les plus gros du marché, réduisant d'autant le besoin d'en amplifier le signal.
· Objectifs très lumineux (souvent chers!)
· Ouverture maximum (mais attention à la profondeur de champ et aux diverses aberrations).
· Vitesse d'exposition la plus faible possible (mais gare au bougé!)
· Flash (si la distance du sujet le permet).
§ Corrections logicielles :
· Floutage masquant les pixels isolés de bruit au milieu des pixels corrects (mais perte de netteté).
· Format JPEG, noyant les points bruités voisins de nombreux points corrects.
· Ajout de lumière par correction logicielle de l'exposition, ajout brutal, ajout d'un calque Photoshop de la zone sombre en mode superposition, etc.
· Fusion HDR avec Photoshop à partir de plusieurs photos d'expositions croissantes réalisées en mode bracketing.
Daniel MARTIN