LE BRUIT, QU'EST-CE QUE C'EST ?

Tout d'abord d'où vient-il et pourquoi ce "bruit", alors qu'on parle de grain sur les photos argentiques ?

La première source de bruit est... l'appareil lui-même. Et c'est là qu'on va enfin comprendre pourquoi on l'appelle le bruit. Pour en avoir un exemple audible, prenez l'ampli de votre chaîne Hi-Fi, éteignez tout ce qui y est relié, et montez le son à fond, vous entendrez un grésillement, c'est le bruit de lecture, ce bruit de fond, inhérent à chaque appareil électronique. Celui-là, on ne pourra rien contre, ce qui est important, c'est le fameux rapport signal/bruit, qui fait en sorte que le bruit devient négligeable à l'écoute. L'électronique allant toujours en s'améliorant, les reflex de dernière génération ont un bruit de lecture pratiquement négligeable. Et pour un appareil donné, ce bruit ne dépend ni des conditions de prise de vue, ni des réglages de l'appareil à part le réglage ISO qui correspond à une amplification de la lecture.

La deuxième source de bruit est... la lumière C'est le "bruit de photons" Et là, quand on pense que c'est ce qui nous sert à faire des photos, et même en ayant un appareil électroniquement parfait (s'il existait), on ne peut pas y échapper car il est dû à la nature de la lumière, onde (la longueur d'onde correspond à la couleur), et particule (le photon). La diffraction de l'objectif met en évidence la longueur d'onde, mais une source lumineuse envoie également des photons d'autant plus fournis que la lumière est intense. Ça pourrait être simple, mais ces photons n'arrivent pas régulièrement, mais plutôt comme des gouttes de pluie arrivant au sol, en petits paquets avec des zones vides. Et on n'y peut rien, c'est de la physique. Chaque pixel ne reçoit donc pas la même quantité de photons que son voisin.
Et le pire c'est que plus il y a de photons, plus il y a de bruit, ce bruit varie comme la racine carrée du nombre de photons, donc si un paquet de 100 photons a un bruit moyen de 10 photons, un paquet de 1000000 de photons a un bruit moyen de 1000 photons. Alors, faut-il se résoudre à recevoir le moins de photons possible?  Non, c'est le rapport signal sur bruit qui importe, et on verra aisément dans que dans le deuxième cas il est nettement meilleur (ouf, la théorie rejoint la pratique qui nous a montré depuis longtemps qu'une image mieux exposée engendre moins de bruit).

Troisième source, la sensibilité des photosites C'est le fameux effet photoélectrique qui a valu le prix Nobel à Einstein... Chaque photosite d'un capteur recueille des photons qui arrachent des électrons aux atomes de silicium qui composent le capteur. Ces électrons s'accumulent dans le photosite, puis sont récupérés en fin de pose pour les "compter" et en déduire l'intensité de lumière. Pourtant, à quantité de photons égale, on ne va pas obtenir le même nombre d'électrons sur chaque capteur, mais qu'on se rassure, la variation est négligeable (de l'ordre de 0,5% en moyenne). Donc cette source de bruit peut-être considérée comme négligeable par rapport au bruit de photons.

Quatrième source, le bruit thermique. Aïe, le bruit quoi? Ce bruit n'est sensible que pour les poses longues au delà d'une seconde, c'est un bruit fixe qui se traduit par des pixels brillants dans l'images, autrement dit les pixels chauds. Ils offrent l'avantage d'être toujours au même endroit, donc sur les reflex, le mode réduction du bruit pose longue permet de les éliminer par soustraction d'une deuxième photo de même durée prise obturateur fermé. C'est pour cette raison qu'un appareil avec ce mode activé reste occupé 20 secondes pour une pose de 10 secondes, le temps de réaliser la seconde pose et de la soustraire avant d'enregistrer les données sur la carte mémoire.

 EN RÉSUMÉ

Hautes lumières. Dans les hautes lumières à bas ISO, un reflex APS-C (DX) stocke une bonne dizaine de milliers d'électrons par photosite, le bruit moyen se traduit par une centaine d'électrons. Or sur les reflex récents le bruit de lecture est inférieur à 20 électrons. Le bruit prépondérant est donc le bruit de photons, qu'on perçoit aisément dans un ciel moutonneux exagérément accentué en post-traitement.
Basses lumièresIci le bruit de photons diminue fortement en valeur absolue, par contre le bruit de lecture cesse rapidement d'être négligeable. Et c'est la même chose lorsqu'on augmente le réglage ISO (qui revient à une amplification et augmente le bruit électronique). Il est intéressant de rappeler ici qu'un capteur, tout comme le bon vieux film argentique, ne possède qu'une sensibilité propre (dite "native") et que la montée en ISO s'effectue par amplification du signal et de son inséparable compagnon, le bruit (souvenez-vous de la chaîne dont on monte le volume).

Nous avons vu que plus la quantité de lumière reçue est importante, meilleur est le rapport signal/bruit, et par conséquent l'image (c'est quand même le résultat qui nous importe…).
Une solution est donc d'augmenter la taille des photosites, afin que dans les mêmes conditions d'éclairage ils reçoivent plus de lumière, et la qualité des reflex en haute sensibilité provient essentiellement de la taille des photosites, bien plus grands que ceux des compacts (on passe de 4 à 8 microns pour les premiers à 2 microns pour les seconds), soit un facteur couramment supérieur à 6 dans le rapport des surfaces, et bien plus dans le cas d'un capteur 24x36 de 12MPixels.

Evidemment les algorithmes de lissage du bruit (intégrés à l'appareil pour du JPEG direct ou effectué par un logiciel de développement des RAW) peuvent atténuer le phénomène. Mais rien ne vaudra un fichier natif peu bruité.
Alors, la course aux pixels… et bien, elle se fait au détriment de la taille des photosites, ce qui explique que mon vieux compact 3,2MPixels ait pu me donner de meilleures images que les 5MPixels qui pointaient le bout de leur nez à l'époque.
On améliore aussi l'efficacité des micro-lentilles, destinées à ramener les photons égarés dans le droit chemin(une partie importante de chaque photosite est cachée par les pistes conductrices par lesquelles transitent les signaux d'horloge et les charges accumulées pendant la pose, et les micro-lentilles sont là pour diriger les photons vers la zone photosensible, la photodiode).
Oui, mais… car il y a toujours un mais : les photosites sont plus petits, le bruit est aussi plus fin, donc méfiez vous des visualisations 100% écran, car si le bruit est plus fin, il est aussi moins perceptible à tirage de taille égale, et la vraie finalité d'une photo est tout de même le tirage.

Et le D-Lighting de Nikon ou son équivalent Priorité Hautes lumières chez Canon, ça donne quoi ? Pas terrible dans les zones sombres pour la montée du bruit, puisqu'ils travaillent en sous-exposant l'image pour éviter de cramer les hautes lumières et remontent les zones sombres à l'aide d'une courbe spécifique. Et pas de miracle non plus pour les trop hautes lumières qui seront cramées de toutes façons. C'est la démarche inverse de l'exposition à droite souvent préconisée pour être à la limite de la surexposition mais sans y tomber. A ce sujet méfiez vous des histogrammes, ils ne reflètent pas toutes les informations que votre appareil peut stocker, ils ne sont que le reflet du résultat que vous auriez en JPEG.

Un dernier aspect, le banding…C'et quoi ça encore? Si le bruit de lecture compose un fourmillement coloré sans réelle structure, le banding est lié au mode de lecture des capteurs CMOS qui prennent non pas pixel par pixel comme les capteurs CCD, mais toute l'image en une seule fois, et on peut voir apparaître un bruit structuré, fait de bandes verticales et horizontales, le banding. Ce bruit est beaucoup plus gênant car l'œil détecte fort bien les structures (lignes, quadrillages..), le cerveau est programmé pour ça. Ce bruit structuré peut-être visible dans les ombres des images fortement sous-exposées et/ou prises à hauts ISO.

Et pour finir, si on voit du bruit haute fréquence, on voit aussi, tout aussi gênant, un bruit basse fréquence formé de plages colorées aux contours flous, beaucoup plus larges alternativement magenta, et par contraste visuel, cyan.Si un fort banding est gênant, un bruit basse fréquence l'est également, particulièrement sur des grands tirages. Ces deux défauts ont pratiquement disparu sur les dernières générations de reflex APS-C jusqu'à 1600 ISO (3200 à 6400 ISO sur les 24x36, et plus sur le Nikon D3s)

Si vous êtes arrivés jusqu'ici, merci d'avoir lu, allez prendre une bonne aspirine et reposez vous bien et si vous pouvez en tirer quelque chose pour vos prochaines prises de vue, ce sera encore mieux. 

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