Sociaux et recherche

20 nov. 2012

Le bruit en photo numérique

bruit photo


Alors que le grain de l'argentique a fait son temps, le photographe contemporain est maintenant gêné par le bruit, ces pixels parasites qui apparaissent lorsque la lumière disparaît. Nous verrons dans ce billet ce qu'est le bruit, ses causes techniques ainsi que les moyens de le réduire.



Résumé de l'article

Qu’est-ce que le bruit en photo ?
Des pixels qui parasitent la photo. Ils sont souvent rouges ou bleus mais leur couleur et leur luminosité varient en fonction des conditions.

Quels sont les types de bruit ?
On distingue le bruit de chrominance (des pixels aux couleurs aléatoires) et le bruit de luminance (des pixels à la luminosité aléatoire).

A quoi est dû le bruit ?
Aux limites en faible lumière du capteur et de l’électronique de l’appareil photo.

Comment éviter d’avoir du bruit ?
Il faut surtout éviter de trop monter dans les ISO, mais le bruit augmente également avec la température, la durée d’exposition et lorsque l’on augmente la luminosité en post traitement.

Comment supprimer le bruit d’une photo ?
En utilisant les fonctions de réduction du bruit de l’apn ou en traitant la photo sur ordinateur avec un logiciel de retouche.





La notion de bruit en photo



Définition du bruit


Le terme bruit vient du monde de l'acoustique: c'est le souffle que l'on entend sur une chaîne Hifi même si aucune musique n'est jouée. C'est un signal parasite qui s'ajoute au signal utile (la musique) l'ensemble constitue le signal total (ce que l'on entend).

Signal total = Signal utile + Bruit

Le bruit existe dans tout système électronique, dans le cas de la photo le signal total est la photo finale, le signal utile est la scène réelle photographiée et le bruit est composé des pixels parasites.


Illustration des différents types de bruit


Visuellement, on distingue deux sortes de bruit:

  • Le bruit de luminance: des zones de l'image trop sombres ou trop claires. C'est ce qui ressemble au grain du film argentique.
  • Le bruit de chrominance: des pixels colorés répartis de manière aléatoire sur la photo.

bruit de luminance et bruit de chrominance
Les deux types de bruit en photo


Le rapport signal / bruit


Le rapport signal sur bruit (RSB, ou NSR: Noise Signal Ratio en anglais), permet de mesurer l'importance du bruit, plus sa valeur est grande et moins le bruit d'une photo est visible.

RSB = 20 x log (signal total/bruit) 

La formule n'est pas très parlante, il vaut mieux voir un cas concret (source DxO):

illustration du SNR ou RSB d'une photo
Exemples de différents RSB



La chaîne d’acquisition d'une image


Partir d'une image réelle pour aboutir à une photo numérique implique de nombreuses étapes: les photosites du capteur récoltent les photons qui composent la lumière pour les transformer en signal électrique. Ce signal est amplifié avant d'être converti en données numériques.
Nous verrons que chacune des étapes peut être source de bruit.
chaine acquisition image
Représentation (très) simplifiée de la chaîne d’acquisition d'une image



Les différentes origines du bruit


Ce paragraphe liste toutes les sources de bruit que l'on rencontre en photo numérique, en suivant les étapes de la chaîne d'acquisition.


bruit photonique

Bruit photonique


Les propriétés quantiques de la lumière font qu'avec une lumière apparemment constante les photons ne vont pas tous arriver au même rythme sur tous les photosites, ceci est à l'origine du bruit photonique.


Le RSB de ce bruit vaut 10 x log(pT) avec p la densité de photons et T le temps d'exposition.
Ainsi, ce bruit diminue avec l'intensité lumineuse et avec le temps d'exposition (le capteur peut récolter suffisamment de photons).

Le bruit photonique est inversement proportionnel à la taille des photosites: un petit photosite à moins de chance de récolter suffisamment de photons qu'un grand photosite, il est donc plus sensible au bruit.

Mais ce point est à pondérer: il faut juger le bruit sur la totalité de l'image et là les choses s'équilibrent: à surfaces de capteur égales un capteur de grande résolution a plus de photosites qu'un capteur de moindre résolution, à l'échelle de l'image le nombre de photons capturé est le même.

Le bruit photonique est la principale source de bruit d'une photo.


Bruit structurel permanent

Bruit structurel permanent


Les photosites du capteur ne répondent pas tous de la même manière à une même lumière, ceci explique le bruit structurel permanent.

Imaginez que vous photographiez un gris parfait à 18%, chaque pixel est sensé donné une info (R,G,B) = (118,118,118). Mais certains donneront (119,117,116) d'autres (117,118,120) .. ce qui créé des petits points de bruit sur l'image.

Ce bruit dépend uniquement de la qualité du capteur.


Bruit de lecture et bruit du courant noir

Bruit de lecture et bruit du courant noir


La transformation de la lumière en signal électrique n'est pas parfaite, elle induit un bruit de lecture: des électrons peuvent se perdre en chemin ou apparaître sans raison.

Toujours au rayon signal électrique: même en l'absence de lumière un faible signal électrique est généré, c'est le bruit du courant noir.


Bruit d'amplification

Bruit d'amplification


Les différents étages d'amplification ne sont pas parfaits, ils engendrent eux aussi du bruit, on parle de bruit d'amplification.
Il dépend de la qualité de l'électronique de l'appareil photo et est amplifié lorsque de la gain de l'ampli augmente (on verra que c'est le problème de la montée en ISO).


Remarque: les 3 derniers types de bruit augmentent avec la température, c'est le phénomène de bruit thermique.


Bruit de quantification

Bruit de quantification


Le bruit de quantification apparaît lorsque le signal électrique est transformé en information numérique.
Il diminue lorsque le nombre de bits augmente (une image codée sur 8 bits y est plus sensible qu'une image codée sur 14 bits).

On peut faire une analogie avec la musique en comparant la qualité sonore d'un enregistrement sur CD à celle d'un mp3 basse qualité.


Bruit fichier numérique

Bruit dû à la création d'un fichier numérique


On s'éloigne un peu du sujet mais sachez que, à moins de travailler en RAW, une photo est compressée: il y a perte de données, ceci dégrade l'image.



Réduire le bruit au moment de la prise de vue


Maintenant que les causes du bruit sont identifiées nous pouvons lister les points à surveiller pour le limiter.

Attention: des principes peuvent se contredire, il n'y a pas de formule magique, les précautions à prendre dépendent du matériel et de conditions de lumière. Il faut tester les différentes solutions et trouver le meilleur compromis pour chaque situation.


L'appareil photo et ses réglages


  • Choisir si possible un appareil ayant un bon rapport signal bruit
Cela limitera l'impact des sources de bruit liées au capteur et à l’électronique de l'apn.

Sachez que:

    • Les performances d'un appareil s'améliorent de générations en génération. (vous pouvez le vérifier en regardant l'évolution des performances des reflexs numériques)
    • Un apn avec un petit capteur sera plus sensible au bruit photonique qu'un appareil avec un gros capteur.
    • Évidement: tout à un prix, une électronique propre nécessite des composants chers et du temps de R&D..


  • Limiter la montée en ISO pour réduire le bruit d'amplification.
Augmenter les ISO permet d'augmenter la sensibilité en amplifiant le signal électrique, mais cela amplifie également le bruit et le RSB ne s'en portera pas très bien.

Voici par exemple les mesures (par DxO) du  RSB en fonction des ISO pour le Canon EOS 5D MarkIII:

SNR Canon EOS 5D MarkIII
Ratio signal bruit du MarkIII en fonction des ISO

Remarque: SNR 18% signifie que les mesures ont été faite sur un gris à 18% (118,118,118)

On voit que chaque fois que la valeur ISO est doublée le SNR perd 3dB.

à titre d'info: j'ai listé les valeurs low light ISO de tous les reflex Canon, Nikon, Pentax et Sony.


  • Laisser reposer le capteur après qu'il ait été longtemps exposé à la lumière
Après une exposition prolongée les photosites restent excités, cela augment le bruit de lecture.


  • Exposer à droite (ou à gauche)
Il n'y a pas vraiment de consensus à ce sujet, cela dépend de votre appareil photo et du logiciel utilisé pour traiter les RAW, mais - souvent -  il vaut mieux légèrement sur-exposer une photo en montant dans les ISO puis baisser son exposition par logiciel que sous-exposer une photo en baissant les ISO et ensuite augmenter l'exposition par logiciel.

Dans le premier cas on compte sur les performances du boitier, dans le second cas sur les performances du logiciel.


  • Travailler à la quantification la plus élevée possible (le nombre maximum de bits) pour limiter le bruit de quantification. 
Dans les faits la différence entre un RAW 12bits et un RAW 14bits est plus que subtile.. mais la différence entre un TIFF et un GIF est flagrante.

  • Ne pas utiliser les réductions du bruit proposées par le boitier
C'est sruprenant mais elles sont moins efficaces que celles proposés par les logiciels de retouche.

Exception: la réduction du bruit pour pose longue est elle pertinente, lorsque la durée d'expo dépasse plusieurs dizaines de secondes (voir minutes) le boitier fait un seconde acquisition, de même durée, mais sans lumière: on a alors uniquement du bruit qui sera retranché de la première prise de vue.


L’environnement


  • Eviter les température excessives pour réduire le bruit thermique
Ne pas laisser l'appareil en plein soleil, ne pas sur-chauffer le capteur en le sollicitant à intervalles trop rapprochés, laisser reposer après une longue exposition.

  • Avoir un éclairage correct et/ou une expo suffisante 
Cela permettra de récolter suffisamment de photons et ainsi de limiter le bruit photonique.

  • Eviter les durées d'exposition trop longues.
Si l'exposition est très longue le capteur aura le temps de chauffer, le bruit thermique augmentera (on parle ici d'exposition de plusieurs minutes).

Ci dessous une photo dont la durée d'expo était de 10 minutes, capuchon sur l'objectif on ne voit que du bruit:

bruit issu tres longue exposition



Supprimer le bruit d'une photo en post traitement


Je commence en brisant un rêve: dans la plus part des cas il est impossible de supprimer totalement le bruit, ou alors au détriment du rendu globale de la photo (une grosse perte de détails).

De façon générale les logiciels de retouche s'attaquent:

  • Au bruit de luminance: le logiciel crée un flou gaussien qui uniformise la luminosité par petites zones mais fait malheureusement perdre les détails
  • Au bruit de chrominance: le logiciel détecte les pixels rouges et bleus et les remplace en s'inspirant des pixels voisins.

lightroom suppression bruit
Réduction du bruit de chrominance puis de luminance avec Lightroom


Comme je l'explique dans le tutoriel sur le module de développement de Lightroom, il est recommandé de travailler le bruit en dernière étape, après avoir modifié l'exposition et autres courbes de niveau (par exemple: augmenter l'exposition peut faire apparaître du bruit).

Il faut faire attention au fait que le bruit de luminance est corriger en appliquant un léger flou à la photo, un re-réglage de la netteté peut ensuite être nécessaire.

Un dernier conseil: ne vous mettez pas à un niveau de zoom trop élevé pour travailler le bruit (évitez le pixel peeping !) préférez des conditions proches de la façon dont vous allez visualiserez la photo "dans la vraie vie", cela évitera de trop pousser les curseurs et de perdre en détail.



Pour en savoir plus


Des explications sur les propriétés des capteurs

Un regard sur l'évolution du RSB des capteurs


Dernière mise à jour le:
par Pierre LPEF