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Qu’est-ce que la sensibilité ISO en photo numérique ?

juillet 2010, par Daniel Metz

 

En photographie numérique, la sensibilité ISO n’a plus qu’un lointain rapport avec la sensibilité ISO des pellicules argentiques. Comme il n’est pas possible de faire varier la sensibilité d’un capteur électronique, on use d’un artifice pour simuler une sensibilité plus ou moins grande.

L’illusion des hauts ISO

La possibilité de monter haut dans les sensibilités ISO est un argument marketing mis en avant par les constructeurs d’APN, mais ils oublient de parler de son action destructrice sur le rendu de la photo. Sur un appareil photo numérique, l’image la plus pure, la plus riche et la plus propre s’obtient toujours lorsque la sensibilité n’est pas interpolée, c’est-à-dire lorsqu’on conserve la sensibilité naturelle du capteur.

Cette sensibilité naturelle du capteur n’est pas modifiable. Elle est fixe et invariable. Il existe pourtant un moyen de simuler un changement de sensibilité qui consiste à amplifier la luminosité en sortie du capteur exactement comme l’amplification du son dans le domaine de l’audio. Il n’y a donc pas a proprement parler d’augmentation de la sensibilité, mais seulement une interpolation de la sensibilité existante. L’avantage de cette méthode est qu’elle conserve l’analogie avec la sensibilité ISO telle qu’elle est pratiquée en argentique, l’inconvénient est que chaque gain de sensibilité ISO correspond à une dilution de l’information.

La sensibilité ISO en argentique

En photographie argentique la sensibilité ISO est simplement un index d’exposition basé sur la sensibilité réelle de la pellicule à la lumière. On dispose donc d’une gamme de pellicules plus ou moins sensibles, ce qui permet de jouer sur les autres paramètres d’exposition.

Fig. 2. Plus une pellicule est sensible à la lumière, plus la pente de de la partie centrale rectiligne (appelée gamma) se redresse. Ici gamma d’une pellicule Tri-X Kodak.

Pour déterminer la sensibilité d’un film, on recherche la plus petite valeur d’exposition qui entraîne un noircissement perceptible. Le support n’a jamais une transparence parfaite et de plus, lors du développement, il y a formation d’un voile d’opacité. On a donc une valeur plancher qui correspond à la densité du support + la densité du voile. Arbitrairement on décide de ne prendre en compte que les mesures dont la densité est supérieure de 0,1 de cette valeur plancher. C’est le seuil de sensibilité. A ce seuil de sensibilité correspond une exposition minimum qui déclenche une réaction. Par exemple pour la Tri-X Kodak, il faut une exposition de -2,7 IL (soit 0,002 lux.s). Ce résultat, comparé au contraste d’une exposition plus élevée d’1,3 IL, c’est à dire d’une densité plus élevée de 0,8 donne un rapport qu’on appelle sensibilité ISO du film.

Sensibilité = 0,8/ gris moyen [lux.s]

Sur une pellicule argentique, Plus le grain d’halogénure d’argent est gros, plus il réagit promptement à l’action de la lumière. Les pellicules selon leur sensibilité sont classées sur une échelle ISO linéaire dont les valeurs doublent pour un cran d’exposition : 25, 50 100, 200, 400, etc. La valeur de base de cette échelle est la valeur 100 ISO qui correspond aux conditions lumineuses les plus souvent rencontrées, c’est-à-dire celle du milieu d’une journée ensoleillée. Plus le chiffre est élevé plus, plus le film est sensible et plus on peut l’utiliser en faible lumière.

Sensibilité native du capteur électronique

Un capteur qui a une large plage dynamique est un capteur capable d’enregistrer un grand nombre de tonalités intermédiaires puisque cette qualité est mesurée sur le comptage d’éléctrons déplacés. Plus ce nombre de tonalités est grand, plus l’écart entre chaque tonalité est faible.

La sensibilité du capteur se traduit par sa capacité à discriminer un écart plus ou moins grand entre deux tonalités.

Fig. 3. Plus un capteur est sensible à la lumière, plus le signal sera représentée par une pente abrupte. Plus cette pente est abrupte, plus le capteur pourra discriminer de tout petits écarts de luminance.

La sensibilité d’un capteur est influencée par le rendement quantique du photosite et par le facteur de remplissage ou capacité électronique maximum (Full well capacity). Ce deuxième facteur est lui-même influencé par deux paramètres. Le premier qui représente la limite supérieure est le niveau maximum de saturation du photosite c’est-à-dire par l’exposition la plus haute qu’on peut utiliser pour une scène donnée avant que des pixels atteignent une valeur de 255. Le deuxième paramètre, qui représente la limite inférieure, est le plus petit niveau de luminance ayant un bruit acceptable, c’est-à-dire la plus petite exposition acceptable. On voit que cette limite d’entrée est arbitraire et peut donc varier selon les fabricants. D’autant que le bruit qui vient perturber le modelé de l’image a plusieurs origines : le bruit de fond (photonique) le bruit du noir (de lecture) ou bruit thermique.

C’est la qualité de cette sensibilité native qui va conditionner par la suite la possibilité de monter dans de hauts niveaux de sensibilité ISO. Plus le capteur est capable de distinguer d’infimes variations de luminance, plus cette sensibilité pourra être amplifiée avant que n’apparaisse un bruit vraiment gênant.

Les niveaux de sensibilité ISO

La sensibilité native du capteur n’étant pas modifiable, le seul moyen de simuler une échelle de sensibilité ISO est d’amplifier le signal en sortie du capteur. Cette amplification du gain de luminosité permet de retrouver la même souplesse de paramétrage d’exposition qu’en argentique. La limite de la plus haute sensibilité est atteinte lorsque le bruit devient trop gênant.

A chaque augmentation du gain de sensibilité, il y a un déficit d’information lumineuse qui se traduit par une détérioration de l’image : le modelé s’estompe, puis le bruit envahit l’image et enfin la plage dynamique se rétracte. Une augmentation de la sensibilité correspond à un éclaircissement de l’image qui appauvrit son rendu. Le meilleur rendu étant toujours obtenu avec la sensibilité native (sans gain de sensibilité).

La norme ISO 12232:2006

La norme ISO 12232 qui concerne la sensibilité ISO impose aux constructeurs des contraintes dans le nombre d’échelons de sensibilité ISO qu’on peut attribuer à un APN. Cette norme définit la sensibilité native du capteur en limitant d’une part les dépassements de la plage dynamique (limiter l’apparition des zones brûlées) et d’autre part, en définissant des niveaux dits acceptables d’apparition du bruit.

Les constructeurs disposent également d’une petite tolérance pour évaluer ce que la cellule va lire comme une exposition exacte. C’est pour cette raison qu’il est possible de trouver de petites différences d’exposition d’un modèle à l’autre. Pour établir cette mesure de l’exposition, les constructeurs disposent de quatre méthodes différentes.

Standard Output Specification

La première méthode Standard Output Specification (SOS) s’appuie uniquement sur les valeurs trouvées en sorties du fichier sRGB. Cette méthode, assez proche de la méthode utilisée en argentique considère qu’une exposition est juste lorsqu’elle renvoie une luminance moyenne de 18 % à la manière d’une mesure Spot.

Sensibilité SOS = 10/ gris moyen [lux.s]

Si la sensibilité ISO de votre appareil photo a été définie avec la méthode Standard output Specification, une mesure spot sur une charte de gris 18 % doit donner un niveau RVB proche de 118. Cette méthode ne peut être vérifiée que sur un fichier sRGB.


Fig. 4. Avec un appareil évalué avec la méthode Standard Output Specification, la bonne exposition se traduit par une valeur RVB proche de 118.

Dans un fichier sRGB, le gris moyen de luminance 18 % correspond au niveau RVB 118 (entre 0 et 255). Une tolérance de 1/3 d’IE permet au constructeur de définir la valeur d’exposition moyenne entre les niveaux RVB 114 et 124.

Recommended Exposure Index

La deuxième méthode Recommended Exposure Index (REI) ne recherche pas une luminance cible comme la méthode SOS, mais évalue une valeur moyenne sur toute la gamme de ton de l’image à la manière d’une mesure matricielle. Cela permet de prendre la mesure quel que soit le profil colorimétrique de l’image finale (sRGB ou autre). Cette méthode d’évaluation de l’exposition est compatible avec une mesure de l’exposition manuelle à l’aide d’un posemètre.

Sensibilité REI = 10/Exposition moyenne [lux.s]

Ce type de mesure de l’exposition peut donner une image légèrement plus claire qu’une mesure de l’exposition obtenue par la méthode SOS. Le gris moyen prend la valeur de luminance de 23 % et dans un fichier sRGB se situe au niveau 131)

Fig. 5. Avec un appareil évalué avec la méthode Recommended Exposure Index, la bonne exposition se traduit par une valeur RVB proche de 131.

Saturation based sensibility

La troisième méthode appelée saturation based sensibility s’appuie sur les propriétés du capteur et le gain de sensibilité. Elle ne prend donc pas en compte la courbe de correction gamma. Elle ne peut être mesurée que sur un fichier RVB linéaire obtenu dans un convertisseur RAW( ou extrapolée dans photoshop). Plutôt que de mesurer l’exposition sur le gris moyen de 18 %, on mesure à quelle exposition maximum commence à apparaître des zones brûlées dans l’image. Théoriquement, une image bien exposée ne devrait pas faire apparaître de pixel à 100 % (valeur codée 255)

Sensibilité SB = 78/ blanc [lux.s]

Les variations de tension en sortie de l’amplificateur en fonction de l’éclairement du capteur sont linéaires. De même, l’amplification des tensions correspondant à la saturation du capteur sera aussi linéaire et de ce fait elle ne pourra être mesurée que sur un fichier RVB linéaire (comprendre un fichier dont le gamma est 1 comme dans un convertisseur RAW).

Fig. 6. Avec un appareil évalué avec la méthode "Saturation based sensibility, la bonne exposition se traduit par une valeur RVB proche de 102. Sous-exposition de presque 1/2 IL.

Ce type de mesure de l’exposition donne une image légèrement plus sombre qu’une mesure de l’exposition obtenue par la méthode SOS. Le gris moyen est considéré à 12,6 % de luminance (plutôt que 18 %). Son niveau correspondant dans un fichier sRGB se situe à 102.

Noise-based-sensibility

Les trois méthodes précédentes acceptent une tolérance de la luminosité moyenne numérique qui s’étale entre 43 % et 55 % (de 102 à 131 en niveaux RVB). Lorsque cette tolérance produit des images plus lumineuses, elle produit plus de bruit. La norme prévoit donc une limite acceptable du bruit.

La dernière méthode Noise-based-sensibility, se base sur la tolérance du bruit qui apparaît dans une image. Tant que le bruit ne dépasse pas le taux de 40:1, l’image est considérée comme excellente et tant que le bruit ne dépasse pas le taux de 10:1, l’image est considérée comme acceptable.

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