La sensibilité ISO et les ISO natifs – Apprendre la photo

Ecrit par Benoit dans Apprendre la photo, Tutoriel photographe débutant | 49 commentaires |

Les ISO sont souvent l’élément oublié du triangle d’exposition en photo. Je vous propose de voir ensemble comment utiliser les ISOs ? Nous aborderons aussi la notion d’ISO natif et je vous exposerais mes résultats du test que j’ai réalisé sur le canon 5D mark III et le Nikon D800 à propos des ISO natifs et leur multiples.

comprendre les iso natifs

Retrouvez la vidéo du tutoriel en fin d’article

Qu’est-ce que les ISO ?

La définition des ISOs

Les ISOs sont l’unité de mesure de la sensibilité à la lumière de votre capteur. En gros, c’est une norme qui définit qu’avec une scène éclairée par un certain nombre de lumens et avec un triangle d’exposition réglé avec telle ouverture, telle vitesse d’obturation et à tant d’ISO, le capteur doit restituer tant de lumens sur la photo.

La norme des ISO définit qu’à chaque fois que l’on double les ISOs, sans modifier l’ouverture ou la vitesse d’obturation, on double la luminosité de la photo.

Comment fonctionne les ISOs dans nos appareils photo ?

Les appareils photo numériques sont équipés d’un capteur qui récupère la lumière de la scène prise en photo. Le capteur est constitué entre autre de photodiodes (1 par pixel) qui permettent aux photons venant « percuter » le capteur d’arracher des électrons aux couches de silicium du capteur pour transformer la lumière en signal électrique.

Durant le temps de pose, le signal électrique est « stocké » et s’amplifie au fur et à mesure que les photons viennent percuter la surface du capteur. A la fin du temps de pose, le signal électrique est « envoyé » vers le processus de digitalisation, puis de numérisation de ce signal analogique.

On peut donc en conclure que pour la même lumière et le même paramétrage du triangle d’exposition, le signal électrique sortant du capteur est le même. Le capteur n’a donc qu’une seule plage d’ISO, c’est ce que l’on appelle l’ISO natif du capteur.

Pour les autres plages d’ISO disponibles sur l’appareil photo, c’est simplement le signal analogique du capteur que l’on amplifie ou diminue.

L’ISO natif et ses multiples

Comme nous l’avons vu au paragraphe précédent, l’ISO natif est le signal analogique sortant du capteur. Les autres ISOs sont l’amplification ou la diminution de ce signal.
Que sont les multiples de l’ISO natif ? Par exemple si l’ISO natif est ISO 100, les multiples sont ISO 2OO, ISO 400, ISO 800, …  Dans le cas d’utilisation de ces ISO multiples, l’amplification se fait par l’amplification du signal analogique.

signal-analogiqueComme on l’a vu plus avant, plus la lumière est importante, plus le capteur reçoit un nombre de photons important et donc plus le signal analogique généré par la photodiode est important. Moins il y a de lumière et moins le signal analogique est important. L’appareil photo admet un minima et un maxima au signal analogique pour le considérer comme exploitable, c’est ce que l’on appelle la plage dynamique de l’appareil photo. Le graphique juste à côté montre le graphique d’un signal analogique. Ce graphique est représenté d’une autre façon en général en photo, l’histogramme. La partie haute du graphique du signal analogique correspond à la partie droite de l’histogramme et vice versa.

signal-analogique-3Quand vous augmentez vos ISO sur votre appareil photo en utilisant l’ISO natif ou ses multiples, l’appareil photo amplifie le signal analogique généré par le capteur. Dans ce cas, les extrêmes de hautes lumières ou basses lumières peuvent dépasser le minima et maxima toléré par l’appareil photo. Donc quand on augmente les ISO on diminue la plage dynamique de l’appareil photo. C’est un des problèmes à prendre en compte.

L’autre problème est que lors de l’amplification du signal, on amplifie proportionnellement plus les signaux parasites que le signal utile de la photo. Donc quand on augmente les ISO l’amplification sur signal engendre une montée du bruit de luminance et de chrominance beaucoup plus que du signal utile de la photo.

Les ISO intermédiaires

canon_5d_mkiii_15-580-100Certains appareils photo, permettent d’augmenter les ISO non pas 1IL par 1IL, mais par 1/3 d’IL. Donc au lieu de passer d’ISO 100 à ISO 200, ces derniers permettent de passer d’ISO 100 à ISO 125, puis ISO 160 avant d’arriver à ISO 200.

Pour l’utilisation des ISO intermédiaires, l’amplification du signal lumineux se fait en augmentant les valeurs numériques et non en amplifiant le signal analogique du capteur.

Une fois les photons captés et transformés en signal analogique (électrique), l’appareil photo digitalise le signal analogique après une première phase de diminution du bruit, puis l’appareil photo numérise le signal digital ainsi obtenu (on passe en binaire pour stocké les informations dans le fichier), après une seconde phase de diminution du bruit.

Lors de l’utilisation des ISO intermédiaires, ce sont les valeurs numériques qui sont modifiées pour augmenter ou diminuer le signal lumineux de la photo d’1/3 d’IL.

Du coup la question se pose de savoir s’il est préférable d’utiliser l’amplification du signal numérique lors de la prise de vue ou lors du post traitement par des logiciels spécialisés.

La réponse est une non réponse. Tout dépend de votre appareil photo et de la qualité de son amplification du signal numérique, mais aussi des logiciels que vous utilisez pour le faire en post traitement. C’est en faisant des tests que vous en ressortirez ce qu’il est préférable pour vous.

Utiliser les ISO en photo

Dans les cours photo que je dispense, je constate souvent que les personnes maîtrisant un peu les balbutiements de la photo, lors qu’ils loupent des prises de vue, cela vient souvent d’un manque de maîtrise des ISOs. C’est souvent l’élément oublié du triangle d’exposition.

Peu importe le mode de prise de vue que vous utilisez, la règle de base est que les ISO doivent toujours être le plus bas possible afin de limiter le bruit et la diminution de la plage dynamique de l’appareil photo.

En mode semi-automatique priorité à l’ouverture

Lorsque vous utilisez le mode priorité à l’ouverture, votre appareil photo prend la main au moins sur la vitesse d’obturation (temps de pose). Je vous conseille de toujours garder la main sur les ISO en plus de l’ouverture dans ce mode.

Du coup, votre appareil photo calcul une quantité de lumière lors de la prise de vue et modifie automatiquement la vitesse d’obturation utile pour y arriver, selon votre réglage de l’ouverture et des ISO que vous avez réglé.

Du coup pour régler votre appareil photo, c’est simple, il vous suffit de régler votre ouverture et au moment où vous faites votre cadrage, vérifiez la vitesse d’obturation que vous propose votre appareil photo et si jamais cette dernière est trop basse, augmentez vos ISO pour que votre appareil, en contre parti augmente la vitesse d’obturation.

En mode semi-automatique priorité à la vitesse

Tout comme le mode précédent, sauf que vous inversé la maîtrise de l’ouverture par la vitesse d’obturation.

Du coup pour régler votre appareil photo, il vous suffit de régler votre vitesse d’obturation selon vos besoins et au moment où vous cadrez vérifiez l’ouverture que vous propose votre appareil photo et si jamais il est trop ouvert, augmentez les ISO pour que l’appareil photo en contre parti referme le diaphragme de l’objectif.

En mode manuel

En mode manuel selon votre sujet, que votre priorité soit la profondeur de champs ou la vitesse d’obturation, utilisez une des méthodes précédentes. En gros on cherche à avoir la bonne lumière avec l’ouverture et/ou la vitesse d’obturation et si jamais cela ne suffit pas, dans ce cas j’utilise les ISO. Si vous préférez, les ISO ne sont à utiliser que pour compléter le manque de la combinaison des 2 autres éléments du triangle d’exposition.

Avantages et inconvénients des ISO

Inconvénients des ISO

Comme on l’a vue plus haut, les deux principaux inconvénients de la monté des ISO sont :

  • L’apparition du bruit de luminance et de chrominance.
  • La diminution de la plage dynamique (augmentation des contrastes).

Avantages des ISO

L’avantage des ISO est de pouvoir prendre des photos dans des conditions de lumière plus difficiles. Cela permet soit d’accélérer le temps de pose, soit de fermer plus l’objectif, soit les deux.

Un test sur les ISOs natifs

Sur internet on entend absolument de tout par rapport à l’utilisation des ISO natifs et de ces multiples.

Ce qui ressort le plus est que si l’on utilise l’ISO natif de l’appareil ou un de ses multiples est qu’il y a moins de bruit que si l’on utilise une plage d’iso intermédiaire.

En gros si l’ISO natif de mon appareil est ISO 100, en utilisant ISO 800 qui est un de ses multiples, il y aura moins de bruit sur la photo que si l’on utilise la plage d’ISO 640 qui est un « ISO intermédiaire ». Cela proviendrait du fait que pour l’ISO natif et ses multiples on amplifie le signal analogique alors que pour les ISO intermédiaires on modifie les valeurs numériques ce qui créerait plus de bruit.

Le problème est que souvent les personnes ne sont pas d’accord sur l’ISO natif de l’appareil photo et que leurs tests ce limite à prendre des photos et à constater, en visuel, que sur une photo il y a l’air d’y avoir moins de bruit que sur une autre. Cela reste donc extrêmement subjectif.

Du coup j’ai voulu faire un test, plus précis pour vérifier. Même si le protocole de test n’est pas parfait,  il donnera des résultats plus précis que « je pense qu’il y a moins de bruit ».

Les prérequis du test

Pour ma part je trouve plus facile de compter les conséquences de la monté des ISO si l’on part de « photo » qui ne contiennent que du bruit provenant de la monté des ISO. Pour cela il faut prendre en compte que d’autres éléments peuvent provoqués du bruit :

  • Le bruit d’obscurité qui provient de l’agitation thermique dans les couches de silicium du capteur si ce dernier chauffe. Donc évité la chaleur.
  • Le bruit photonique, qui provient de la nature de la lumière et qui est beaucoup plus présent sur les photos prisent avec un temps de pose long.
  • Le bruit électronique qui provient de la défaillance de photodiodes.
  • Enfin le bruit qui provient de la monté des ISO et donc de l’amplification analogique du signal électrique du capteur.

Pour le bruit électronique on ne peut pas faire grand-chose, mais pour le reste j’en ai tenu compte.

Le protocole du test

  • L’appareil photo utilisé est un Canon 5D mark III.
  • Prise de photos noires. J’ai vissé sur l’objectif un conteneur de filtre métallique. Le métal rend totalement impossible la traversé de la lumière et le fait qu’il soit vissé sur l’objectif, cela élimine les rayons lumineux qui pourraient passer entre l’objectif et le bouchon si ce dernier n’était pas parfaitement fermé.
  • J’ai placé mon appareil photo 30 minutes avant le test dans mon frigo pour limiter au maximum la chaleur sur le capteur. (attention pas dans le congélateur, cela pourrait abimer l’appareil photo). Le test c’est fait avec l’appareil dans le frigo pour ne pas qu’il chauffe au fur et à mesure du test.
  • Entre chaque photo j’ai laissé 30s pour éviter que le capteur ne chauffe du fait de la prise de vue.
  • Le temps de pose choisi est 1/50s pour éviter les temps de pose long.
  • J’ai pris les photos au format JPEG, car le processus de comptage ne pouvait être fait que sur du format JPEG et je ne voulais pas intégrer une phase de « traduction » RAW vers JPEG car cela ajoute trop de variable selon le RAW et le logiciel utilisé qui peut corriger le bruit durant cette étape.
  • J’ai commencé mon test à ISO 50 et fini ISO 65535 en augmentant les ISO par 1/3 d’IL (ISO 50, ISO 100, ISO 125, ISO 160, ISO 200, …)
  • Enfin j’ai placé l’ouverture à f/8, même si normalement cela n’a absolument aucun impact sur le résultat final dans notre  cas.
  • J’ai réalisé 3 fois le test pour vérifier si d’une fois à l’autre, le résultat était identique.

Avec ce protocole de test, j’ai limité au maximum les sources de bruit autre que les ISO.

Un autre test Nikon

Le même test que le précédent a été aussi réalisé avec un Nikon 800D par un abonné de la communauté Deviens-Photographe sur Google+.

Les résultats ne sont pas du tout les mêmes, du coup avant de vérifier les résultats du test, veuillez prendre note que j’ai refusé la proposition de Canon quant-au fait de leur servir de présentateur au salon de la photo porte de Versailles à Paris en novembre 2016.

Le programme du test

Une fois les photos noires prises, il suffit de parcourir les pixels du fichier JPEG un par un et de vérifier leur code RVB. Normalement il ne devrait y avoir que des codes RVB 0,0,0, soit du noir.

Afin d’appliquer un certain taux de tolérance, j’ai compté tous les points gris (R=V=B) et créé 11 niveaux de gris allant de 0,0,0 à 255,255,255. Du coup chacun peut choisir jusqu’où il tolère un point qui n’est pas totalement noir (0,0,0) mais légèrement différent. A chacun d’estimer le seuil de tolérance qu’il souhaite appliquer. Par exemple sur le résultat de chez Nikon beaucoup de point qui devraient être noirs sont à 1,1,1, ce qui à l’oeil nu ne donne pas de différence avec un noir à 0,0,0. Du coup j’ai compté les point 1,1,1 comme étant du noir dans le résultat de mon test

Le programme écrit en php, compte plusieurs sortes de points. J’ai voulu déjà faire la différence entre les points « gris » qui seraient du bruit de luminance et les points RVB qui seraient du bruit de chrominance.

Le programme à été développé pour un site sur WordPress. Si vous souhaitez télécharger la source PHP du script source php analyse jpeg.

Les résultats du test

Les fichiers JPEG

Le premier résultat que nous avons constaté aussi bien avec les jpeg du Canon 5D Mark III que pour les JPEG du Nikon D800 est que plus on augmente les ISO et plus le poids du fichier augmente. Cela s’explique simplement par la méthode de compression de ses fichiers qui permet de gagner du poids en compressant les données si plusieurs points identiques sont de même couleur. Du coup à faible ISO les pixels sont tous noirs, alors que plus on augmente les ISO plus le bruit multiplie les pixels « non noir ».

Pour le canon 5D Mark III les fichiers passent d’un poids de 1,42Mo pour ISO 50 à un poids de 14,1Mo pour l’ISO 65.535.

Pour le Nikon D800 les fichiers passent d’un poids de 6.36Mo pour ISO 160 à un poids de 19,8Mo pour l’ISO 12800.

Les graphiques

Sur les deux graphiques qui suivent vous trouverez les résultats du comptage des pixels des photos. Le premier graphique correspond aux résultats de photos du Canon 5D mark III et le second graphique correspond aux résultats du Nikon D800.

Les graphique contiennent 3 courbes chacun :

  • Total pixels de la photo : Est la courbe qui compte simplement le nombre de pixel que contient le fichier
  • Noir : Le total des pixels contenant le code RVB 0,0,0, donc du noir et les point presque noir (1,1,1).
  • Total bruit : Correspond au total des pixels qui ne sont pas noirs.
  • L’axe des abscisses indique la plage d’ISO de la photo
  • L’axe des ordonnées indique le nombre de pixels.

Pour les pixels noirs, j’ai aussi ajouté les pixels (1,1,1) car chez Nikon ce nombre de pixels représente 33% des points noirs, contre seulement 0,0004% chez Canon. Du coup pour avoir des résultats cohérent entre les deux marque, du fait qu’à l’œil nu les 2 sortes de pixels (0,0,0 & 1,1,1) sont identiques.

Donc sur le graphique, plus la courbe et haute et plus il y a un nombre de pixels importants correspondant à cette valeur.

total-bruit-canon-5d-mark-iii

 

On voit sur le graphique des résultats du Canon qu’avant ISO 1600, il y a plus de pixels noirs à ISO 160, ISO 320 et ISO 640 (donc moins de bruit) que pour les plages d’ISO directement précédents ou suivants. Si l’on admet que pour l’ISO natif et ses multiples contiennent moins de bruit que les ISO avoisinant, alors on pourrait conclure que l’ISO natif du Canon 5D Mark III n’est pas ISO 100, mais ISO 160.

Par contre on constate qu’après ISO 1600 le bruit augmente à chaque fois que l’on augmente les ISO même d’1/3 d’IL.

On pourrait donc conclure que pour le Canon, il est intéressant d’utiliser l’ISO natif et les ISO multiples de celui-ci avant ISO 1600, mais que pour des valeurs plus élevées d’ISO cela ne sert plus à rien.

On voit que le nombre de pixels représentant du bruit devient plus important que les pixels « utiles » de la photo à partir d’ISO 5000.

total-bruit-nikon-d800

Pour les résultats du Nikon D800, les résultats ne sont pas du tout les mêmes que le Canon 5D Mark III. Déjà la moyenne de pixels utiles (autre que le bruit) pour les photos avec un ISO inférieur à 1600 représente 94% chez le Canon pour seulement 78% chez le Nikon.

Chez Nikon on ne constate pas moins de bruit pour les ISO natifs ou ses multiples. Par contre on constate une dégradation plus rapide de la qualité de l’image que chez Canon.

Conclusion du test

J’ai pu retirer plus de résultats du test en séparant les pixels du bruit de chrominance et du bruit de luminance. Mais cela recoupe ce que je vous ai présenté ici.

En ce qui concerne l’utilisation des ISOs natifs et ses multiples, on voit que chez Nikon cela n’apporte absolument rien. Chez Canon Cela peut être utile pour les ISO inférieurs à 1600, mais non seulement, si l’on regarde bien cela rend la chose quasi inutile, car en dessous de d’ISO 1600 la moyenne de pixels utiles est de 94%, en gros le bruit est quasi inexistant et c’est lorsque cela devient utile au-dessus d’ISO 1600 que l’utilisation des multiples de l’iso natifs n’apporte rien.

Pour ma part, je trouve intéressante l’utilisation de l’ISO natif et de ses multiples sur mon Canon 5D Mark III uniquement pour la vidéo.

Enfin le test m’a surpris quand à la présence de bruit assez élevé chez le Nikon 800D par rapport au Canon 5D Mark III, au point d’avoir demandé à Chris de refaire le test sur le Nikon pour en être certain. Les résultats furent quasi identiques entre les deux tests. A ISO 100 le bruit ne représente que 2% de la photo chez le Canon contre 13% chez le Nikon et à ISO 1600 cela passe à 14% de bruit chez Canon contre 47% chez Nikon. On voit que les courbes bruit/noir s’inversent à ISO 2000 chez Nikon alors qu’il faut attendre ISO 5000 pour le Canon.

Mais je ne me permettrais pas de tirer de conclusions trop hâtives, cela devrait sans doute demander  plus de test.

La vidéo du cours photo sur l’utilisation des ISOs

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Commentaires (49)
  1. Pingback: Réunion du Lundi 15 Avril 2019 - Club Lou-Zoom-Photos

  2. Pingback: cours photo - la photo de paysage | Deviens - Photographe

  3. Voice inside says:

    Excellent article, c’est l’un des plus complets et concrets sur le sujet. Merci

  4. jean antoine says:

    Merci Benoit, je vous suis depuis pas mal de temps et j’ai beaucoup appris grâce à vos tuto. Une petite remarque constatée lors du tuto sur les ISO natifs, c’est votre débit de parole qui est un peu trop important par moment et rend le sujet difficile.
    Bon il faut le revoir plusieurs fois, dommage!!
    Mais encore merci

    • Benoit says:

      Merci pour ce retour. Effectivement vous êtes nombreux à me dire que je parle trop rapidement.
      Promis je prêterais attention à ce point pour les prochains tutos ;o)

  5. Franck says:

    Bonjour,

    J’ai quelques remarques sur le protocole de test et de mesures :
    -- très bonne idée de limiter le bruit associé à la température
    -- par contre, mauvaise idée de faire les mesures en jpg : ce qui est mesuré va être très dépendant des performances du débruitage intégré dans la conversion raw->jpg du boitier, et en va pas uniquement correspondre aux performances du capteur.
    -- pour la mesure, on obtiendrait une meilleure précision en mesurant l’écart type des niveaux de gris plutôt qu’en faisant un comptage des pixels au dessus d’un seuil (cette dernière méthode n’est fiable pour comparer des boitiers que si le bruit est gaussien -- ce qui n’est pas le cas en jpg)
    -- si on veut comparer un 5DMkIII avec un D810, il faut prendre en compte que les photosites n’ont pas la même surface : à taille et performances de capteur identiques, un pixel sera plus bruité sur le capteur qui aura le plus de megapixels.

    Du coup ça serait intéressant de voir les résultats concernant l’impact des ISO natifs sur le bruit, mais mesurés sur le RAW (sachant qu’il n’est pas nécessaire de faire la conversion en jpg pour mesures, il suffit directement de mesurer sur les niveaux de gris du RAW.

    Concernant la comparaison 5DMkIII vs D810, on devrait obtenir à peu près le même bruit si on fait la correction de facteur d’échelle.
    Pour ça, je me base sur la comparaison des mesures de bruit, sur le dite dxomark.com : sur la mesure de SNR18% le canon est meilleur pour chaque photosite (courbes ‘screen’), mais les deux boitiers sont identiques une fois ramenés à la même échelle (courbes ‘print’)

    • Benoit says:

      Bonne idées effectivement et très bon retour d’expérience. N’hésite pas à partager tes résultats de test et le protocole, pour que l’on améliore nos conclusions.

  6. Souquet Xavier says:

    Excellent comme dab, dans la précision tout en restant simple.
    Merci Benoit pour ce complément d’information de ton cours « passer en mode manuel ».

    Xavier

    • Benoit says:

      de rien et merci de ta fidélité et la confiance que tu as mis dans mes cours en ligne ;o)

      N’hésites pas à nous rejoindre aussi dans la communauté Google+ où on est déjà plus de 4000 fous ;o) Tu verras que les gens sont sympa et répondent rapidement à tes questions ;o)
      https://plus.google.com/communities/111550629908127007169

  7. joseph says:

    Merci pour cette reprise et pour ce tuto.

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