ISO dans n’importe quel appareil photo électronique, tout comme pour le film, est le résultat d’un indice de sensibilité calibré. Mais il y a quelques éléments dans un appareil photo moderne qui contribuent à la cote ISO qu’un appareil photo présente.
À peu près n’importe quel type de capteur d’image est un réseau de photodiodes. Une photodiode est un dispositif qui va conduire des électrons en réponse à être « excité » par des photons. Construit autour d’une photodiode, il y a une microlentille, pour aider à collecter le maximum de photons, et un filtre de couleur, si vous voulez une image en couleur. Les photodiodes utilisées aujourd’hui dans les appareils photo sont sensibles à toute la lumière visible et même un peu de lumière infrarouge et ultraviolette.
Une photodiode parfaite conduira un électron pour chaque impact de photon. Une telle photodiode aurait une efficacité quantique de 100%. Aucune vraie photodiode n’a cela, mais certains atteignent environ 95% dans les caméras récentes avec des capteurs éclairés à l’arrière. Cependant, la nécessité de filtrer la couleur signifie généralement qu’environ 1/3 des photons qui pourraient exciter une photodiode conduisent en fait à des électrons. Une photodiode plus grande sera, sans surprise, frappée par plus de photons dans le même flux de photons et, bien sûr, conduira plus d’électrons.
Tant que le nombre de photons impactant une photodiode produit une conduction linéaire des élections, la diode fonctionne dans sa région active et les choses vont bien. Il est possible qu’à un moment donné, une augmentation des photons n’entraîne pas une augmentation linéaire des électrons. Cela signifie que la photodiode est saturée. Cela définit l’une des limites possibles de la valeur ISO native pour un capteur.
Maintenant, gardez à l’esprit que le flux d’électrons basé sur les impacts de photons est une fonction continue. Une exposition photographique est plutôt une collection de lumière sur une période de temps définie. Si vous considérez les photons et leurs électrons correspondants comme de la pluie, l’élément suivant du capteur s’appelle un puits de charge. C’est ton seau ! Un seau qui recueille des électrons est appelé un condensateur en ingénierie électronique, mais les appareils photo ont tendance à l’appeler bien une charge.
Dans un appareil photo professionnel, il y a un obturateur mécanique qui recouvre le capteur de nos jours. Avant d’ouvrir cet obturateur, l’électronique vide chaque puits de charge de tous les électrons, puis active le réseau de photodiodes. Cela se fait en polarisant chaque photodiode. Les photodiodes, comme mentionné, conduisent des électrons, mais elles ne les créent pas. La tension de polarisation est d’où viennent ces électrons, et l’appliquer, ou non, permet à un ensemble particulier de photodiodes dans le réseau du capteur de devenir sensible à la lumière, ou non.
De sorte que l’obturateur s’ouvre et que la lumière pénètre. Les photodiodes conduisent des électrons, les puits de charge se remplissent d’électrons. Si cela dure assez longtemps, un ou plusieurs de ces puits « déborderont » – plus d’électrons ne s’adapteront. Cela signifie que ce puits de charge particulier est maintenant limité — c’est le deuxième mécanisme qui définit une ISO native.
La norme ISO
Supposons donc que j’ai fabriqué un appareil photo avec un tout nouveau capteur, et je n’ai aucune idée de ce qu’est l’ISO. Disons que je prends mon fidèle appareil photo Olympus OM-1, quelques boîtes de film et mon appareil photo numérique. Si je prends des photos avec le même objectif, dans la même lumière, je peux comparer le film à l’appareil photo et peut-être avoir une idée des ISOS comparatives. D’une part, si mon film ISO 100 commence à surexposer au même moment précis où je vois mon capteur numérique surexposer, c’est une bonne indication que l’ISO de mon appareil photo numérique est d’environ 100.
En pratique, puisque nous avons une chose appelée ISO, de l’Organisation internationale de normalisation, vous pouvez imaginer qu’il existe une sorte de formule ou de recette pour l’ISO. Pour le film négatif couleur, lorsque vous dites « ISO », vous parlez vraiment de la norme ISO 5800: 2001. Pour le film négatif B & W, cela signifie en fait ISO 6: 1993, et pour le film transparent en couleur, cela signifie la norme ISO 2240: 2003.
Naturellement, il existe également des normes pour les capteurs numériques. La norme ISO 12232 actuelle:La spécification de 2006 donne aux fabricants d’appareils photo numériques cinq façons différentes de calculer l’ISO, contre trois dans la version originale de la spécification de 1996. Seules les deux méthodes les plus récentes, la technique de l’Indice d’exposition recommandé (REI) et la Sensibilité de sortie standard (SOS), sont actuellement légales pour les caméras fabriquées par des entreprises japonaises — presque tout le monde.
Tout comme pour le film, il y a un degré de jugement impliqué, il est donc tout à fait possible que l’ISO d’une caméra puisse être un peu différente de l’ISO d’une autre, mais l’objectif est une norme qui est essentiellement la même d’une caméra à l’autre.
ISO variable
Jusqu’à présent, j’ai parlé d’ISO native, qui n’est qu’une fonction du puits de charge et du réseau de photodiodes de la caméra. Mais il y a beaucoup plus à un appareil photo numérique.
Lorsque vient le temps de lire le capteur, la charge dans chaque puits de charge est à son tour convertie en tension et envoyée dans un convertisseur analogique-Numérique (CAN). Le circuit CAN est conçu de telle sorte qu’un puits de charge rempli va entraîner une tension à pleine échelle au niveau du CAN. Mais que se passe-t-il si nous sommes dans le noir et que chaque puits de charge ne remplit que 1/2 ou 1/4 du trajet? C’est là que la variable ISO — ou gain, comme on l’appelait à l’origine — entre en jeu.
Voici le schéma d’un capteur d’image numérique OV10822 réel d’Omnivision. C’est le genre que vous auriez pu trouver dans un smartphone il y a quelques années, mais l’idée est la même pour n’importe quel capteur. Si vous regardez le tableau d’images (photodiodes) dans le diagramme, entre celui-ci et l’ADC se trouve un bloc étiqueté « AMP » et un autre étiqueté « contrôle de gain ». C’est là que la variable ISO se produit.
Avant les appareils photo numériques, nous avions encore des appareils photo électroniques. Seulement nous les appelions caméscopes. Et lorsque vous avez composé gain sur un caméscope, vous avez composé gain. Ce gain vient d’être mesuré en dB, et il a été appliqué à l’ISO natif de votre appareil photo, ce que vous ne saviez probablement pas. En conséquence, il était difficile de régler deux caméras différentes pour utiliser la même lumière.
Les spécifications ISO sont utilisées pour étalonner une échelle ISO pour un appareil photo numérique. Si je compose un gain 2x sur ce boîtier de puits de charge complète 1/2, je suis passé d’ISO natif, disons ISO 100, à ISO 200. J’ai maintenant un signal amplifié alimentant l’ADC, et la valeur à pleine échelle de celui-ci est maintenant de 1/2 du niveau complet du puits de charge.
ISO et bruit
La chose intéressante à voir ici est que, en amplifiant la sortie de la conversion du puits de charge, je n’ai en aucun cas changé le capteur. Si j’utilisais un CAN 14 bits à ISO natif, je lis maintenant un bit en dessous et je jette le bit supérieur – ce que je m’attends, dans ma faible luminosité, à toujours être nul. Je compte sur la caméra pour avoir une sensibilité suffisante pour fournir des informations utiles hors de l’amplificateur.
Pourquoi ne le pourrait-il pas? Du bruit ! Il y a toujours du bruit dans n’importe quel système électrique. L’astuce clé dans les systèmes numériques consiste à tout changer en un nombre, ce qui nous permet généralement d’ignorer la nature analogique des signaux composant ces bits. Mais le capteur d’image lui-même est une pure chose analogique, jusqu’au point où nous atteignons le CAN.
Le bruit provient de plusieurs sources. Lorsque vous avez de la chaleur, vous avez une activité électronique aléatoire. Ainsi, une partie du bruit est due à la chaleur, et oui, si vous photographiez à l’extérieur par une journée très froide, vous verrez moins de bruit dans vos images à la même ISO que si vous photographiez par une chaude journée d’été. Formellement, c’est ce qu’on appelle le bruit thermique.
Une autre source de bruit est la caméra elle-même. Lors d’une exposition, le capteur peut être assez silencieux, mais à un moment donné, toutes sortes de circuités supplémentaires doivent être activées pour lire le capteur. Cela créera un bruit qui est, curieusement, surnommé bruit de lecture.
Et enfin, nous avons cette chose étrange appelée bruit de tir ou bruit de pixel. J’ai mentionné que les photons frappent les photodiodes et conduisent les électrons. La lumière à travers votre objectif s’appelle un flux photo, et ce n’est pas le faisceau continu que vous pourriez penser, mais un échantillon statistique de photons qui suit la distribution de Poisson.
Pourquoi le problème? Eh bien, en pleine lumière, ce n’est pas le cas, car vous comptez des milliers, voire des millions d’électrons. Mais à mesure que la lumière diminue, de moins en moins de photons sont capturés par une caméra. Et peu à peu, le nombre est suffisamment petit pour que le nombre capturé à partir de sections identiquement colorées et éclairées d’une image ne soit pas le même. Et donc nous voyons cela comme une luminance et une couleur différentes entre des choses qui devraient être les mêmes: le bruit.
ISO entre ici directement. Lorsqu’un signal est amplifié, le bruit de ce signal l’est également. Ainsi, des nombres ISO plus élevés signifient toujours plus de bruit. Cependant, un capteur plus silencieux, une puce plus grande, etc. peut signifier un rapport signal sur bruit plus élevé dans le capteur. Ainsi, au fil du temps, les capteurs sont devenus beaucoup plus silencieux. Et à mesure qu’un capteur grossit et fournit des photodiodes plus grandes, il va collecter plus de photons dans la même lumière que le capteur plus petit. Donc, il y aura un nombre statistiquement sain d’électrons dans le type de lumière qui présenterait du bruit sur une caméra plus petite.
Résolution et Astuces logicielles stupides
Alors regardons les détails de la chose que je fais ici. Dans ce schéma bloc du capteur du smartphone, vous pouvez voir que l’ADC est 10 bits. Cela signifie que l’ADC peut lire un maximum de 0 à 1023 sous forme de nombre à partir de l’entrée. J’ai également suggéré que nous pourrions avoir un capteur 14 bits – c’est ce que vous trouvez généralement dans un appareil photo numérique plein format aujourd’hui, des niveaux de 0 à 16 383.
Maintenant, regardez le format JPEG: il s’agit de 8 bits par pixel – des valeurs de 0 à 255 pour chaque couleur (JPEG n’encode pas en RVB, mais YUV, mais vous décompressez en RVB). Alors, que se passe-t-il si nous avons une ISO native de 100, mais que nous voulions offrir des JPEG à ISO 50? C’est totalement faisable avec un capteur 10 bits, plus facile encore avec un capteur 14 bits. Pensez-y comme glisser une fenêtre 8 bits sur une plage de nombres beaucoup plus large.
Cela pourrait bien sûr être fait à l’autre extrémité. Si mon appareil photo ne monte qu’à 25 600 ISO, je pourrais peut-être utiliser un logiciel pour augmenter l’ISO à 51 200. Dans le logiciel, je peux simplement sélectionner des bits d’ordre supérieur commençant par le bit 1 plutôt que le bit 0 — mathématiquement similaire à la multiplication par deux dans ce cas.
Il s’agit d’une amplification logicielle, et elle est utilisée au moins dans une certaine mesure dans presque toutes les caméras. La plupart des caméras ont des plages ISO « étendues », telles que l’ISO50 ou 51 200 que j’ai suggérées. Les deux ne sont pas tout à fait idéaux d’une manière ou d’une autre, dans ce cas étant dérivés d’un logiciel, le fabricant les étiquette donc comme « étendus » pour vous le faire savoir. Cependant, si une ISO étendue par logiciel correspond toujours aux spécifications ISO et aux normes du fabricant en matière de qualité d’image, une ISO dérivée par logiciel n’a pas besoin d’avoir une étiquette spéciale.
Notes sur le monde réel JPEG
Je n’allais pas entrer dans les complexités de cela, mais comme Dave Martindale l’a souligné dans les commentaires, les encodeurs JPEG peuvent utiliser une fonction de compression de la plage dynamique appelée courbe gamma, pour fournir une partie de la saveur d’une plage dynamique plus élevée, au détriment des couleurs intermédiaires et parfois des bandes de couleurs dans l’image. Votre écran d’ordinateur ou votre téléviseur 8 bits fait la même chose, uniquement à l’inverse, pour fournir une sortie d’aspect linéaire. Le capteur de la caméra voit la lumière en termes linéaires, mais pas votre œil. Ainsi, la courbe gamma peut être appliquée à une image de 10 ou 12 bits pour fournir une compression de plage dynamique non linéaire de celle-ci dans le cadre du codage JPEG.
La plupart des caméras peuvent être ajustées exactement sur ce qu’elles font avec la couleur lors de la création d’un JPEG, c’est donc une chose qu’un utilisateur avancé peut contrôler. L’inconvénient de la correction gamma est qu’elle rend un JPEG très « fragile » — même de petites corrections de couleur, de luminance, de contraste, etc. peut se déplacer là où ceux-ci auraient appartenu sur la courbe gamma à des endroits auxquels ils n’appartiennent pas. Alors peut-être que vous ne voyez aucune bande dans votre JPEG d’origine, mais faites quelques ajustements, et vous avez un sacré gâchis sur vos mains. C’est pourquoi JPEG est largement considéré comme non modifiable par les professionnels. Oui, vous pouvez faire des ajustements si vous faites attention, mais encore une fois, c’est très fragile.
Et si Nous N’Avions Pas Du Tout D’ISO!
En fait, certaines caméras sont censées être « sans ISO ». Ce que cela devrait signifier, de toute façon, c’est qu’il n’y a jamais d’amplification analogique. Chaque image est capturée à l’ISO de base et simplement manipulée par logiciel pour obtenir des valeurs ISO supérieures ou inférieures. Le problème avec cela est la résolution.
Donc, disons que j’ai une caméra avec une ISO native de 100 et un CAN 12 bits. Cela me donne, bien sûr, un JPEG 8 bits à ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800 et ISO 1600… au-delà de cela, je commencerais à réduire l’échantillon d’un bit pour chaque nouvelle vitesse ISO.
Dans un appareil photo professionnel, cependant, il y a la possibilité d’une image brute. Mon CAN 12 bits me donnerait 12 bits à ISO 100, 11 bits à ISO 200, 10 bits à ISO 400, etc. utilisation du logiciel uniquement. En utilisant l’amplification matérielle, j’apporte 12 bits à n’importe quel réglage ISO …. mais c’est seulement ce que je numérise. La vraie valeur efficace est basée sur le plancher de bruit du système — rappelez-vous ce bruit que j’ai mentionné? Il y a donc de fortes chances que j’ai encore 12 bits d’informations utiles avec ce gain 2x à ISO 400. Peut-être aussi bien à ISO 800 …. mais finalement, tout ce gain va juste augmenter le plancher de bruit. Et c’est exactement pourquoi les ISO élevées étendues sont presque toujours des logiciels. Une fois que cet ADC 12 bits apporte 11 bits de signal et 1 bit de bruit pur, il n’est absolument pas nécessaire d’ajouter plus d’amplification – vous pouvez obtenir exactement le même résultat avec le logiciel.
La Nouveauté: ISO double native
Ainsi, comme je l’ai mentionné, l’ISO native est basée sur diverses propriétés du capteur: sensibilité de la photodiode, tension de polarisation de la photodiode, capacité du puits de charge, etc. Et il est tout à fait possible de concevoir un capteur doté de circuits redondants pour ces choses, chacun étant fait un peu différemment. Mettez deux chemins de lecture et le capteur aura une double ISO native.
De quoi je parle ici ? Eh bien, prenons mon capteur d’origine, avec une ISO native de 100. J’ai construit de très grands puits de charge pour permettre à tous ces photons d’être collectés en pleine lumière. Mais que se passe-t-il si je veux fournir une seconde ISO beaucoup plus élevée pour une faible luminosité. Je peux construire un deuxième condensateur de puits de charge. Je n’ai pas besoin de faire face à des lumières vives, donc cela peut être relativement minuscule. Et peut-être, en le gardant très petit, je peux optimiser ce chemin de données pour un bruit très faible au lieu d’une capacité élevée. Le capteur pourra utiliser le chemin natif pour alimenter l’amplificateur variable ou l’ADC, en fonction des paramètres. Ainsi, en augmentant l’ISO sur deux ISO natives, la qualité de l’image augmente jusqu’à des valeurs ISO plus élevées.
