Mégapixels vs bruit
Aujourd’hui, on va s’intéresser à un sujet qui fait souvent débat : la taille et le nombre de pixels de nos capteurs. Il y a beaucoup de confusion et de mauvaises informations qui circulent à ce sujet et j’ai donc eu envie d’écrire un article pour mettre tout ça au clair :) Est-ce que la taille des photosites affecte la montée en ISO d’un appareil ? La réponse dans la suite de cet article !
Un petit test
Avant d'aller plus loin, je vous invite à lire mes billets précédents sur le rapport signal/bruit (RSB) et la montée en ISO qui réduit le bruit. Je précise également que pour être compris, cet article nécessite une bonne compréhension des bases de la photographie et que je ne suis pas responsable des maux de tête qu’il peut causer ! :D (je plaisante, ce n’est pas si compliqué que ça !).
Note : dans cet article, j’utilise régulièrement le terme pixel pour parler des photosites du capteur, ce n’est pas techniquement juste, mais c’est le terme le plus couramment utilisé pour évoquer les photosites des capteurs.
Un des problème que je remarque avec la plupart des articles sur ce sujet, est le manque de tests ou des erreurs dans les protocoles de test. Personnellement, je préfère les choses concrètes et je pense qu’il est donc pertinent de commencer avec une comparaison entre deux capteurs : celui du Nikon D5 et du Nikon D850. Le premier est doté de 20 mégapixels alors que le deuxième en a 45, une différence notable qui va permettre de voir si le nombre et la taille des pixels a une influence sur le rapport signal/bruit des photos/la montée en ISO.
Note : j'ai utilisé les images provenant de la base de données de DP Review pour effectuer une partie de ces tests.
Avant de commencer ce genre de test, il faut bien vérifier que l’exposition des clichés est identique. En effet, les sensibilités ISO affichées par les appareils ne sont pas très précises et les fabricants s’amusent souvent à afficher des valeurs un peu gonflées, cette feinte permet de donner l’impression que la montée en ISO est meilleure qu’elle ne l’est réellement (oh les vilains ! :O). Pour que la comparaison soit la plus juste possible, je normalise, si nécessaire, l’exposition des clichés.
Note : après l’écriture de cet article, j’ai remarqué des erreurs importantes dans les tests de certains appareils effectués par DPReview. Les fichiers utilisés dans ce billet semblent être justes, mais je tenais à le préciser.
Quelques informations en plus sur le protocole de test : ici j’ai normalisé la définition des clichés avant de les comparer ; de cette manière on peut avoir exactement le même niveau de grossissement lors de la comparaison ce qui évite de désavantager le capteur doté d’une définition plus élevée. Cette étape est très importante. Si on ne normalise pas la définition des clichés, on ne peut pas les comparer, c’est d’ailleurs pour cette raison que les sites spécialisés dans le test de capteurs comme DxO Mark normalisent les clichés pour les tests de montée en ISO et de dynamique.
Si vous ne mettez pas les images à la même définition, vous ajoutez une deuxième variable à la comparaison (le niveau de grossissement), rendant donc le test inutile (ça serait comme comparer deux voitures avec le premier qui roule sur un chemin de terre et le deuxième sur l’autoroute). Pour mieux comprendre, pensez simplement à la manière dont une photo est utilisée : vous n’allez pas naturellement regarder de plus près les images produites par un capteur haute définition (que ce soit sur internet ou à l’impression).
J’ai effectué la comparaison dans Lightroom avec les réglages de réduction de bruit par défaut, la réduction de bruit de chrominance de 25 appliquée automatiquement par Lightroom n’a aucun effet néfaste sur le rendu des clichés, de ce fait la désactiver n’a pas d’intérêt. Concernant l’accentuation de la netteté, je trouve que le nouveau réglage par défaut de 40 est un peu fort, de ce fait j’ai remis l’ancienne valeur de 25 comme valeur par défaut.
Voilà ! Vous savez tout, nous pouvons donc maintenant passer au test (D5 à gauche et D850 à droite) à ISO 800 :
On voit immédiatement que… c’est pareil, on ne voit aucune différence entre ces deux clichés prises à ISO 800.
A ISO 3200 :
Toujours identiques à ISO 3200.
A ISO 51200 :
Même chose à ISO 51200 ! En effet, même à cette sensibilité ISO extrêmement élevée, les fichiers du D850 semblent identiques à ceux du D5. On note de légères différences de contraste entre les photos des deux boitiers, mais on ne peut pas réellement dire que l'un d'entre eux soit meilleur que l’autre.
Que se passe-t-il ici ? Est-ce que le D850 dispose d’un capteur phénoménale capable de compenser pour ses petits pixels ? Pour le savoir, comparons deux autres appareils : le Sony A7s II et le Canon 5Ds R. Le premier dispose d’un capteur de 12 mégapixels alors que le deuxième en a 50 ! Une différence encore plus importante. Ici, les objectifs utilisés étaient différents, mais la transmission lumineuse (en t/stop) est très proche (A7s II à gauche, 5Ds R à droite à ISO 6400, soit la sensibilité ISO maximale du 5Ds R).
Donc, c’est pareil ! Encore une fois ! Je pourrais continuer comme ça pendant longtemps, mais je vais vous épargner ça. J’ai comparé des centaines de clichés, provenant de dizaines d’appareils photo différents et les résultats sont toujours les mêmes. Il existe parfois de légères variations, mais ils sont généralement de l’ordre d’1/10eme à 1/3 de stop.
Explications et efficacité quantique
On sait maintenant que la taille des pixels n’impacte pas la montée en ISO, mais pourquoi beaucoup de personnes pensent que si ? Et bien, comme mentionné précédemment, cette idée est souvent le fruit de tests imprécis ou d’un manque de tests, mais elle provient également d’une compréhension parfois incomplète du fonctionnement d’un capteur.
Concrètement, si on ne compare que deux photosites de tailles différentes, le plus gros photosite gagne : il récupère plus de lumière puisqu’il est physiquement plus grand. Mais, comme vous le savez, un capteur n’est pas composé d’un seul photosite. Sur une surface sensible d’une taille donnée, lorsque l’on augmente la taille des pixels, leur nombre diminue (et inversement). De ce fait, dans les tous les cas, la quantité de lumière totale récupérée est la même, enfin… presque.
En réalité il y a une petite différence : on perd un tout petit peu d’espace entre chaque photosite, le capteur moins défini récupère donc un poil plus de lumière car sa « grille de pixels » est moins fine. Cependant, on intègre ce que l’on appelle des micro-lentilles sur les photosites qui aident à maximiser la quantité de lumière récupérée, ce qui minimise la différence.
D’autres facteurs influent également sur la sensibilité comme la transmittance des filtres, la taille des micro lentilles et l’ordre dans laquelle sont placés les photodiodes et transistors qui composent le capteur.
Ces nombreux facteurs définissent l’efficacité quantique d’un capteur, c’est-à-dire sa sensibilité réelle à la lumière. En somme, même si les gros pixels font théoriquement mieux en matière de sensibilité, en réalité il s’agit d’une seule variable parmi tant d’autres et on ne peut pas simplement dire qu’un capteur est plus sensible parce que ses photosites sont plus grands.
Il faut également penser à l’électronique des appareils qui génèrent plus ou moins de bruit et qui influe donc sur le rapport signal/bruit des fichiers. Enfin, certain boitiers appliquent des traitements aux fichiers RAW pour réduire le bruit.
Il y a donc beaucoup de variables qui influent sur la montée en ISO de nos appareils et c’est pour cette raison que l’on n’observe pas de corrélation entre la taille des photosites et la montée en ISO.
Des différences négligeables
On remarque qu’à très haute sensibilité (ISO 25600, 51200, 102400, 204800, 409600, etc.), les appareils dotés de grands pixels font souvent légèrement mieux.
Exemple à ISO 25600 : à gauche le D5, à droite le D850
Le D5 fait légèrement mieux dans les zones d’ombre, mais la différence est négligeable.
En sous-exposant les photos de plusieurs stops à la prise de vue, on remarque une différence plus importante en relevant l’exposition dans Lightroom, mais dans ces conditions, le rapport signal/bruit est catastrophique et les deux fichiers sont inexploitables :
Ici, pour avoir des photos normalement exposées à la prise de vue, il aurait fallut utiliser une sensibilité ISO de 204800. Pour exposer à droite ISO 819200, voir ISO 1638400 aurait été nécessaire (oui vous avez bien lu, plus d’un million d’ISO…).
Merci à Gilles pour les photos de test :)
Cependant, l’inverse est parfois vrai aussi, en comparant le 1Dx Mark II (20 MP) au D850, les fichiers du boitier Nikon sont légèrement plus propres à ISO 51200.
1Dx Mark II à gauche, D850 à droite :
Bon, soyons francs, la différence est négligeable, mais c’est justement ce que je veux mettre en avant ; on note parfois des petits bons technologiques, comme le passage du 100D au 200D chez Canon, mais quel que soit le boitier utilisé, si la taille du capteur est la même, la montée en ISO sera similaire.
La taille du capteur (en bref)
Mais du coup, pourquoi les capteurs APS-C montent moins bien en ISO que les capteurs Full Frame ? Eh bien, c’est simplement dû à la taille de la surface sensible et à la quantité totale de lumière récupérée. Par exemple, chez Canon un Full Frame a une surface sensible 2.56 fois plus grande que celle d’un APS-C et sa montée en ISO est donc 2.56 fois meilleure, tout simplement :)
Pour calculer la différence de montée en ISO, il suffit de mettre le coefficient multiplicateur au carré :
APS-C Canon : 1.6^2 = 2.56
APS-C : 1.5^2 = 2.25
Micro 4/3 : 2^2 = 4
Note importante : il ne faut pas mélanger la quantité totale de lumière récupérée et l’exposition, ce n’est pas la même chose.
Je ne vais pas détailler plus que ça les différences qui existent entre les tailles de capteurs, c’est un sujet très intéressant qui sera traité dans un autre article :)
Les bonnes manières de réduire le bruit
On sait maintenant que les gros pixels ne sont pas la solution pour réduire le bruit en basse lumière, mais comment faire pour obtenir des photos plus propres ?
a) Réglages optimaux
Il faut toujours tenter de récupérer le plus de lumière possible à la prise de vue en utilisant par exemple un temps de pose plus long ou une plus grande ouverture. Il faut exposer à droite le plus souvent possible et utiliser un niveau d’amplification (sensibilité ISO) adapté à la scène et au boitier.
b) Utiliser un objectif adapté
Grâce à une bonne compréhension de l’ouverture relative et utile d’un objectif, on peut choisir du matériel adapté aux situations de prise de vue. Par exemple, en passant d'un objectif 50 mm f/2.8 à un 50 mm f/1.4, on quadruple la quantité de lumière récupérée ce qui aura un impact très important sur le RSB des photos en basse lumière.
c) Le post-traitement
Un post-traitement soigné fera beaucoup plus de différence qu’un changement de boitier (doté d’un capteur de la même taille). Voici une photo du 5Ds R à ISO 12800 (1 stop au-dessus de sa sensibilité ISO maximale), à gauche sans réduction de bruit et à droite avec une réduction de bruit faite en quelques secondes dans Lightroom :
On constate immédiatement une énorme amélioration :)
d) Les empilements (stacking)
On peut également empiler de multiples clichés pour améliorer le RSB (pas encore d'article sur le sujet).
e) Les panoramas/mosaïques
Enfin, on peut utiliser une longueur focale plus importante et faire des panoramas/mosaïques pour améliorer la qualité des clichés. Cette technique est particulièrement efficace en astrophotographie à champ large.
Contre-arguments et informations complémentaires
« Mais les boitiers pro ont peu de pixels, ça veut bien dire que ça doit être mieux non ? »
En effet, le 1Dx Mark II et le D5 ont seulement 20 mégapixels et le Sony A9 a seulement 24 mégapixels. Ce type de boitier peut shooter en rafale à 14, 16 ou 20 images par seconde, l’appareil doit donc convertir en fichiers et transférer une grande quantité de données par seconde ce qui oblige les constructeurs à limiter la définition des capteurs sur ce type d’appareil.
« Il faut tester ça sur le terrain ! »
Je comprends que cette idée revienne souvent, mais il faut comprendre que la lumière varie très rapidement sur le terrain, la pertinence de ce type de test est donc limité. En effectuant des tests dans un environnement contrôlé, on peut juger avec beaucoup plus de précision les différences qui existent entre différents appareils et objectifs.
« Pour l’astrophotographie les gros pixels sont meilleurs ! »
Eh bien, dans l’ensemble la taille des photosites n’a que très peu d’impact sur la qualité des clichés en astrophotographie. D’après Roger Clark, lorsque l’on fait des poses longues d’une ou plusieurs minutes avec monture équatoriale (sans refroidissement), le bruit de courant noir devient un facteur important et un photosite plus grand en génère d’avantage, de ce fait, les capteurs dotés de petits pixels ont tendance à produire des photos légèrement moins bruitées dans ces situations. Il faut néanmoins comprendre que les différences sont faibles, dans la majorité des cas vous les verrez pas. Je vous renvoie vers un article de Roger Clark pour plus d’explications sur ce sujet.
« Mais j’ai vu que le A7s avait une montée en ISO incroyable »
Les vidéos provenant des Sony A7s et A7s II portent à confusion, en effet ces appareils ont une montée en ISO incroyable en vidéo, mais ça ne veut pas dire que c’est également le cas en photographie. En effet, il y a plus de facteurs qui influent sur le bruit d’une vidéo que sur le bruit d’une photo (manière dont les pixels sont interpolés, algorithmes qui réduisent le bruit, codecs, etc.).
Résumé
Pour comparer le bruit des fichiers, ils doivent être mis à la même définition
La taille des photosites n'influe pas sur la montée en ISO
Deux capteurs de la même taille récupèrent la même quantité de lumière quel que soit la taille des photosites
La sensibilité d'un capteur est déterminée par son efficacité quantique
Des différences existent, mais elles sont généralement négligeables
Il existe de nombreuses solutions pour réduire le bruit des photos
Conclusion
Nous sommes à la fin de cet article assez technique sur les pixels et le bruit ! Et je sais que beaucoup de personnes seront étonnées du contenu de ce billet. En effet, comme pour la montée en ISO, il y a beaucoup de mauvaise informations qui circulent au sujet des mégapixels et de leur impact sur le bruit des photos. J’ai voulu écrire cet article pour mettre en évidence l’effet négligeable de la taille des photosites sur la montée en ISO, car je vois beaucoup trop de personnes persuadées qu’un capteur doté de gros pixels fera beaucoup mieux qu’un capteur doté de petits pixels ce qui n’est clairement pas le cas. Même si quelqu’un prétend être un expert de la photographie, mon conseil serait de vérifier les sources, les tests et si possible, de tester par vous-même (vous pouvez télécharger des fichiers de DP Review si vous voulez). J’espère que ce billet vous aura plu et que vous aurez appris des choses. Comme toujours, n’hésitez pas à partager l’article et à me poser des questions en commentaire. Sur ce, bonne journée et bonne photo !
« Ne faites pas confiance aux “experts”, faites confiance aux tests ! :) »
Sources :
En plus de mes propres tests et connaissances, cet article est basé sur plusieurs sources :
Tony Northrup : photographe et testeur de matériel photo
Roger Clark : scientifique de la NASA et astrophotographe
DxO Mark : site de test de capteurs et d’objectifs