La lumière est la source principale du bruit !
Le bruit pose souvent des problèmes et on entend constamment parler de lui dans les tests de boitiers et lors des discussions entre photographes. Cependant, il est généralement mal compris et peu de personnes savent réellement d’où il vient. Qu’est-ce que le bruit ? Quelles sont les sources du bruit ? Les réponses dans la suite de ce billet !
Précédemment dans photohc
Lors des précédents articles, on s’est intéressé au rapport signal/bruit (RSB ou SNR en anglais, Signal to Noise Ratio) et à la montée en ISO réduit qui le bruit. Nous avons également vu que la taille des photosites (pixels) n’a pratiquement aucune influence sur la montée en ISO et qu’il existe une autre manière d’exprimer l’ouverture. Enfin, nous avons analysé la manière dont la taille des capteurs affecte le rendu de nos photos et comment calculer le rapport signal/bruit d’une image.
Dans tous ces billets, j’ai démontré l’importance de la lumière en photographie et de nombreux mythes ont été détruits. Afin d’aller un peu plus loin et de vous aider à mieux comprendre tout ce qui a été vu précédemment, on va s’intéresser au bruit en lui-même. Bref, préparez votre café et vos Dolipranes, on va parler de bruit ! :D
QU’EST-CE QUE LE BRUIT ?
C’est quand la voisine met sa musique de ***** Oh ça va, je déconne ! Reprenons :) On peut définir le bruit comme un signal parasite qui détériore la qualité de transmission d’une information, plus vous avez de bruit et plus la qualité de la photo sera mauvaise et inversement. Visuellement, c’est un grain qui dégrade le rendu des clichés et cache les détails.
Concrètement, votre photographie numérique est composée de pixels et plus il y a de bruit et plus leurs valeurs s’éloignent de ce qu’elles devraient être. L’image prend donc une apparence granuleuse :
Zoom 100%, ISO 3200, f/1.8, 1/30s, Canon 5D Mark III, Tamron SP 35 mm f/1.8, Exposition relevé d’un stop dans Lightroom
LES SOURCES DE BRUIT
a) Le bruit généré par l’électronique
Voir en détail toutes les sources de bruit de votre APN (appareil photo numérique) n’est généralement pas utile en photographie, mais comme nous l’avons vu dans mon article sur la montée en ISO qui réduit le bruit, il faut distinguer celles situées en amont de l’amplificateur et celles situées en aval. Dans un prochain billet, nous verrons également l’impact de la température sur le bruit des APN.
b) Le bruit de photon
De nombreux photographes sont obsédés par le bruit provenant de l’électronique de leur APN, mais en réalité la source principale du bruit est la lumière en elle-même ! Ne m’envoyez pas encore à l’asile, je vais vous expliquer pourquoi ! :D
Le bruit de photon, également appelé bruit de grenaille ou bruit quantique est dû à la nature imprévisible de la lumière. Le flux est irrégulier et le délai séparant l’arrivée des photons (particules de lumière) est variable. Ainsi, le nombre de photons qui percutent un photosite dans un laps de temps donné change à chaque fois que nous prenons une photo. La valeur de chaque pixel sera donc différente et comme expliqué précédemment, ces variations forment le bruit de nos images.
Cependant, plus on récupère de lumière et plus on se rapproche de la valeur exacte qu’un pixel devrait avoir ce qui améliore donc le RSB. Pour comprendre le phénomène, imaginons qu’il s’agit d’un sondage : pour commencer, vous faites passer votre questionnaire à 10 personnes. Les résultats obtenus ne sont pas fiables puisque l’échantillon est insuffisant. Si vous utilisez un échantillon de 100 personnes, les résultats seront plus représentatifs, avec 1000 personnes ça sera encore meilleur et ainsi de suite.
Vous comprenez maintenant pourquoi il est important de toujours récupérer le plus de lumière possible, car même si vous utilisez un appareil moderne doté d’une électronique soignée, plus vous récupérerez de lumière et plus votre photo sera propre.
Maintenant, ça va devenir un peu étrange puisqu’en réalité, plus on récupère de lumière et plus la quantité de bruit de photon augmente ! Mais elle augmente moins rapidement que la lumière. De ce fait, le RSB s’améliore en récupérant plus de lumière malgré le fait que la quantité de bruit de photon augmente. Pour être précis, le bruit de photon est égal à la racine carrée du signal :
Si notre signal est égal à 100, alors notre bruit de photon sera égal à √100, soit 10
Si notre Signal est égal à 1000, alors notre bruit de photon sera égal à √1000, soit 31.62
Etc.
En augmentant l’intensité du signal, il se passe quelque chose d’intéressant : le bruit de photon augmente en même temps que le signal et il devient donc bien plus important que le bruit provenant de l’électronique qui lui, n’augmente pas (ou peu). C’est pour cette raison que dans la majorité des cas, le bruit généré par votre APN n’a que peu d’impact sur le rendu de vos clichés. Pour rappel, le fait d’augmenter la sensibilité ISO, réduit l’impact du bruit provenant de l’électronique située en aval de l’amplificateur, réduisant davantage l’impact du bruit généré par votre APN.
On peut néanmoins noter que le bruit de votre APN va bien s’intensifier un peu lorsque l’on augmente le temps de pose puisque la température de l’électronique va elle aussi augmenter, mais ce gain est faible et dans la majorité des situations c’est bien le bruit de photon qui va limiter le RSB de vos images.
Cependant, dans les zones sombres d’une photographie, le bruit généré par l’électronique est souvent la source principale du bruit. En effet, à cause du faible signal, le bruit de photon est également faible et c’est donc l’électronique de votre APN qui aura généralement plus d’impact sur le RSB de ces zones.
Pour finir, on va s’intéresser brièvement à l’astrophotographie. À l’inverse d’une croyance populaire, dans cette discipline c’est bien le bruit de photon qui est généralement la source principale du bruit et non le bruit provenant de l’électronique. Pour cette raison, un changement d’appareil aura souvent peu d’impact sur le RSB. Cependant, je ne dis pas que l’APN n’a aucune influence sur le RSB en astrophotographie, simplement qu’il faut garder à l’esprit qu’il est rarement la source principale du bruit et qu’il est généralement plus pertinent d’investir dans des objectifs dotés d’une plus grande ouverture et dans une monture équatoriale plutôt que dans un nouveau boitier.
On peut également noter que le bruit de photon a plus d’impact en astrophotographie qu’ailleurs à cause de la pollution lumineuse (PL) et de la lueur de l’air. En effet, on peut soustraire un voile en post-traitement, mais on ne peut pas soustraire le bruit de photon de ce voile. De ce fait, le bruit de photon de la PL s’accumule au bruit de photon du signal du sujet ce qui détériore davantage le RSB. C’est pour cette raison que le RSB d’une photo peut être largement supérieure à celle d’une autre alors que l’on a utilisé exactement le même matériel et les mêmes réglages ! Plus votre ciel sera sombre et plus vos photos seront propres :)
Résumé
Le bruit est un signal parasite qui détériore la qualité de transmission d’une information
Votre appareil photo génère du bruit
La source principale du bruit est la lumière en elle-même. C’est ce que l’on appelle le bruit de photon
On peut combattre le bruit de photon en récupérant davantage de lumière
Le bruit de photon augmente en même temps que le signal, mais moins rapidement
Le bruit provenant de l’électronique de l’APN est généralement noyé par le signal et le bruit de photon
Dans les zones sombres d’une image, le bruit provenant de l’APN est souvent la source principale du bruit
En astrophotographie, le bruit de photon est généralement la source principale du bruit
Conclusion
Avoir une compréhension basique de la physique permet de mieux comprendre ce qui influe sur la qualité de nos clichés, mais également de ne plus se faire berner par le marketing malhonnête et les théories farfelues que l’on trouve sur internet et ailleurs. Il ne faut donc pas devenir obsédé par le bruit généré par nos appareils car il a souvent peu d’impact sur le rendu de nos clichés. Nous verrons dans les prochains billets les différents types de bruit. Comme toujours, j’espère que cet article vous aura plu et q'u’il vous aidera à mieux comprendre ce qui détermine la qualité technique d’une photographie. Sur ce, bonne journée et bonne photo ! :D
Sources :
Roger Clark : scientifique de la NASA et astrophotographe