Mesurer le bruit et la dynamique de son appareil numérique

Par Charles VASSALLO

(2 février 2011)

Les méthodes sérieuses pour faire ce genre de mesure sont décrites dans le site Imatest. Le plus simple est de photographier une diapositive contenant une charte de gris calibrée de grande dynamique, par exemple celle proposée par Stouffer, une charte de 41 plages allant jusqu’à -13 EV par pas de 0,3 EV. Compter $53 (ou $125 pour une charte certifiée), plus les frais de port : ce n’est pas très cher, mais il faudra y ajouter une petite table lumineuse bien homogène sur la totalité de la charte (3×23 cm), ce qui fera plus que doubler le budget si on n’a pas le talent nécessaire pour bricoler cette table à moindre coût. Bref, la facture commence à être un peu lourde s’il s’agit simplement de satisfaire une curiosité passagère.

Il est néanmoins possible de faire ce genre de mesure «en amateur», gratuite­ment… mais time is money, ça prendra en échange pas mal de temps et de manipulations de fichiers. La méthode a été décrite à plusieurs reprises sur le web [1, et sans doute bien d’autres fois]. Elle consiste à photographier en mode manuel une feuille blanche ou grise, sous un éclairage constant, avec toute une série de poses allant d’une franche surexposition à la sous-exposition complète, afin d’obtenir des RVB allant de 255 à 0. On fera varier les poses par pas de 1/3 EV en jouant soit sur le diaphragme de l’objectif, soit sur le temps de pose (donc en faisant confiance à la construction de l’appareil ou de son objectif).

La feuille photographiée, l’appareil et le dispositif d’éclairage devront être solidement fixés afin que rien ne bouge pendant tout le cycle de mesures. Pour vérifier que l’éclairage n’a pas varié dans le temps, on pourra refaire une pose de référence au début et à la fin des opérations afin de s’assurer de cette constance. Il faudra ensuite ouvrir chaque fichier dans Photoshop — ou tout autre logiciel qui rendra des services équivalents — et examiner une petite sélection dans l’image, toujours au même endroit (afin de s’affranchir d’une possible non-homogénéité d’éclairage). La palette «histogramme» indique alors le niveau moyen de chacune des composantes RVB et leur écart type, conduisant ainsi respectivement au signal et au bruit.

Pour s’affranchir d’une texture éventuelle de la feuille photographiée (qui augmen­terait indûment le bruit), il conviendra de se défocaliser lors des prises de vue, afin que cette texture soir bien moyennée par le flou de mise au point.

Cependant, ce sont les RVB bruts qu’on devrait utiliser quand on parle des performances du capteur, ceux qui ont été délivrés par ce capteur. Les RVB lus dans l’image sont différents ; ils ont subi plusieurs transformations, que ce soit dans l’appareil ou dans le logiciel de derawtisation :

  • ces RVB bruts ont été dématricés, puis mélangés entre eux lors de la prise en compte de la balance des blancs
  • ils ont subi des réglages de niveaux et de contraste qui ne sont pas documentés
  • enfin, ils ont été renormalisés selon le «gamma» de l’espace colorimétrique adopté pour l’image. Par exemple, en Adobe(RGB)1998, on aura une loi
         RVB_image = Constante x (RVB_brut)^(1/gamma)
    avec gamma = 2.2 (c’est un peu plus compliqué en sRGB). A noter que cette opération divise le rapport S/B par gamma.

Bref, je ne suis jamais arrivé à tirer grand chose de cohérent de ces RVB finalisés et j’ai abandonné quand bien j’ai découvert le logiciel Rawnalyze et son accès direct aux RVB bruts. Pourtant, ce sont bien ces RVB finalisés qui vont servir de base pour le travail sur l’image et il serait bon (et logique) de faire le pont avec ces résultats bruts. Ce devrait pourtant être possible.

Rawnalyse a été abandonné après le décès de son auteur et il est maintenant remplacé par Raw Digger (logiciel libre gratuit)

Quelques résultats

La figure ci-dessous donne quelques courbes de signal et de bruit pour un Olympus E-30 et un Nikon D3, relevées à partir des verts bruts lus dans Rawnalyze :

Ces résultats sont intellectuellement très satisfaisants sur deux points

  • en gros, le signal (c.à.d. les RVB bruts) varie bien proportionnellement à la pose, avec une pente 1 dans la figure ;
  • la pente 1/2 du bruit en éclairement fort est bien la signature attendue du bruit de photons, variant comme la racine carrée du signal.

D’autres points sont moins clairs, comme le comportement du signal à très bas niveau, ou la pente sensiblement supérieure à 1/2 pour le bruit du D3 en signal fort. Ce dernier point est évoqué dans le site DxOmark sous le vocable pixel response non-uniformity (un bruit proportionnel au signal en haute lumière), mais je n’en sais pas plus.

Bizarreries à 100 ISO

Les études aux diverses sensibilités ont été menées de la manière suivante :

  • On fait une première série de poses à 100 ISO avec un diaphragme bien ouvert, disons f/4.
  • On passe ensuite à 200 ISO. On ferme le diaphragme de 1 EV et on reprend alors des photos avec les mêmes temps de pose.
  • Ainsi de suite. A chaque fois, on double la sensibilité, on ferme l’ouverture d’un diaphragme et on reprend les mêmes temps de pose.

Si le gain de lecture du capteur doublait à chaque fois qu’on double les ISO, le signal mesuré devrait repasser par les mêmes valeurs. Sur les deux appareils étudiés, c’est bien le cas à partir de 200 ISO, mais pas à 100 ISO. La figure ci-dessous montre le cas du D3 : toutes les courbes «signal» sont bien superposées, sauf celle à 100 ISO (en bleu) qui est à 1 EV au dessus des autres.

On a le même comportement avec le E-30 pour le signal (mais la courbe de bruit ne se singularise pas autant). Il doit y avoir quelque part dans le fichier RAW un indicateur indiquant qu’il faut diviser ces RVB par 2, mais cette information n’apparaît pas dans ce que dévoile Rawnalyze. Ces bizarreries sont de toute évidence liées à l’affirmation technico-commerciale que la sensibilité nominale de ces capteurs est 200 ISO.