Qu’est-ce que le bruit en photographie ?

En photographie, le bruit est un des effets les plus indésirables, mais également un des plus fréquents. Il se caractérise par des grains plus ou moins nombreux sur l’image, qui réduisent la qualité, le contraste et peuvent rendre vos photos inexploitables. Il existe différents types de bruits en photo, dont le bruit de photon et le bruit numérique. Contrairement à ce que beaucoup pensent, la sensibilité ISO n’est pas le seul paramètre formant du bruit. Celui-ci peut en effet directement provenir de la lumière que vous capturez. Alors, qu’est-ce que le bruit en photo et que pouvez-vous faire pour le réduire ? 

 

Qu’est-ce que le bruit en photo ? 

Pour bien comprendre comment fonctionne votre appareil photo et par conséquent, comment en tirer le maximum, il est primordial de savoir ce qu’est le bruit et d’où il provient. Celui-ci est souvent mal compris et il est pourtant un élément fondamental de la photographie. Sur les images, il se caractérise par l’apparition de multiples grains formant un voile, réduisant alors la netteté et le contraste des photos. Il est le résultat d’un défaut introduit dans le «véritable signal» que vous essayez de capturer. Cela va avoir pour effet de former de multiples pixels qui présentent une luminosité ou une teinte incorrecte. Ces défauts sont plus fortement visibles dans les zones de l’image présentant normalement une teinte ou une luminosité uniforme. Lorsque ce bruit devient trop important, il peut recouvrir toute la photo et rendre les clichés inexploitables. 

Le bruit en photographie se caractérise par l’apparition de multiples grains formant un voile réduisant la netteté et le contraste des images.

 

Quelles sont les causes du bruit en photo ? 

Techniquement, il y aura toujours une certaine quantité de bruit sur vos photos. Cela est une propriété physique de la lumière et des technologies photographiques sur lesquelles vous n’avez pas le contrôle. Le but est en revanche de contenir ce bruit au niveau le plus faible possible pour optimiser la qualité de vos images. Pour ce faire, on peut dans un premier temps distinguer deux types de bruit : le bruit de photon et le bruit numérique. Bien qu’ils soient engendrés par deux phénomènes différents, ils conduisent généralement au même résultat, avec l’apparition de grains et de pixels incorrects. 

 

Le bruit de photon 

Le bruit de photon, également nommé bruit de grenaille est l’une des sources de grains les plus courantes en photographie. Elle est inhérente aux caractéristiques physiques instables de la lumière que vous photographiez. En effet, même si nous percevons la lumière comme étant relativement uniforme, elle se déplace en réalité comme une série de paquets de photons. Ces photons arrivent alors à votre œil ou au capteur de votre appareil photo à des intervalles aléatoires. Visuellement, en raison de la persistance rétinienne et de la manière dont fonctionne le cerveau, on ne distingue jamais cette irrégularité des intervalles de temps entre deux photons. Le capteur de votre appareil photo est en revanche beaucoup plus sensible à cette variation de photons. Si la lumière était une constante parfaite, chaque pixel du capteur numérique de votre appareil pourrait capturer exactement le même nombre de photons. Cependant dans la réalité, le nombre de photons est très rarement identique du fait de l’arrivée irrégulière de la lumière, ce qui peut alors engendrer du bruit. 

bruit photographie
Que votre source de lumière soit naturelle ou artificielle, elle présente une irrégularité des intervalles de temps entre chaque photon.

On peut illustrer ce principe d’irrégularité de la lumière par une pluie, où chaque goutte de l’averse ne touche pas le sol au même instant. Par conséquent, si on installe quatre bocaux sous cette pluie et qu’on ôte simultanément le couvercle durant une fraction de seconde, il y aura peut-être une goutte dans un bocal, deux dans un autre, puis aucune dans les deux autres. En exposant plusieurs minutes, tous les bocaux seront remplis, mais ils ne seront pas strictement identiques à l’échelle moléculaire. Le premier peut avoir 3050 gouttes, le second 3046, le troisième 3080 et le dernier 3067, par exemple. Maintenant, en remplaçant les gouttes par des photons, on comprend bien que chaque pixel ne capture pas exactement le même nombre de photons que son voisin. À l’image, cela va engendrer une disparité de luminosité et former du bruit, avec des pixels plus sombres ou plus lumineux que la moyenne. C’est ce que l’on appelle le bruit de photon. Comme celui-ci est lié aux propriétés physiques de la lumière, il n’est pas possible de l’éviter en uniformisant le temps d’arriver des photons sur le capteur d’image. Il est en revanche possible d’optimiser certains paramètres d’exposition pour minimiser ce bruit, comme nous le verrons par la suite.   

bruit photographie
On peut illustrer l’irrégularité de la lumière par une forte averse, où toutes les gouttes ne touchent pas simultanément le sol. Sur votre appareil photo, cela va engendrer une disparité entre les différents pixels.

 

Le bruit numérique 

Le bruit numérique ou bruit électronique est un défaut engendré par le capteur numérique et l’électronique interne de votre appareil photo. Ce bruit peut être aléatoire ou constant. Le plus fréquemment, il est lié à la conception du capteur où tous les pixels ne présentent pas exactement la même taille et la même sensibilité. Par conséquent, pour une quantité de lumière identique, certains pixels vont être plus ou moins sensibles. Ce type de bruit étant constant, il est généralement automatiquement calibré et corrigé par les fabricants d’appareils qui réalisent une cartographie de la sensibilité de chaque pixel. Une autre source constante de bruit est liée à la mesure des électrons formés par la capture de la lumière. Cette mesure peut cependant présenter quelques incertitudes et d’infimes erreurs de comptage. Comme pour le bruit de capteur, ce bruit est généralement assez bien corrigé par l’appareil. 

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Tout capteur numérique et composant électronique engendrent une certaine quantité de bruit, que les fabricants suppriment généralement assez efficacement.

Le bruit numérique peut également présenter un caractère aléatoire et dans ce cas, il n’est pas calibré et corrigé par le fabricant. Celui-ci peut être engendré lors de la capture de l’image, le plus souvent en raison de la température du capteur. En effet, lorsque la température du capteur augmente, un courant électrique peut être fermé par le capteur, même lorsque ce dernier n’est pas éclairé. C’est pour cela que les appareils destinés à la vidéo ou à l’astrophotographie disposent souvent d’un système de dissipation thermique plus élaboré. Enfin, du bruit peut également être engendré lors du processus de numérisation des informations. Il en résulte alors des imperfections se caractérisant par un grain, visuellement indiscernable de celui du bruit de photon. 

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Évolution du bruit numérique en fonction de la température du capteur. Ces quatre photos sont réalisées avec une sensibilité identique de 400 ISO et une température évoluant  progressivement de 4 °C (première image à gauche) à 25 °C (dernière image à droite).

 

Comment limiter le bruit en photographie ? 

D’après les informations que nous venons de voir, on peut en conclure qu’il y aura toujours un minimum de bruit pour chaque photo que vous prendrez. Il est inévitable, peu importe ce que vous photographiez. Le but va donc consister à maximiser les informations réelles de la scène que vous essayez de photographier pour que celles-ci dominent cette toile de fond de bruit. Pour ce faire, la meilleure façon est de capturer plus de lumière afin d’optimiser le rapport signal/bruit. Pour illustrer ce principe, imaginez que vous photographiez en extérieur, sous un grand soleil. Chaque pixel pourra alors collecter plusieurs millions de photons. Une erreur de quelques photons entre plusieurs pixels ne sera alors pas dramatique et le bruit restera inférieur au signal. En revanche, pour photographier de nuit ou pour de l’astrophotographie, chaque photon devient beaucoup plus important, car la moindre variation engendre un écart beaucoup plus large. On peut donc en conclure que plus le nombre de photons capturé par le capteur est important, plus le bruit sera faible en comparaison au signal. Cela justifie donc d’exposer à droite lorsque vous en avez la possibilité.  

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Vous pouvez limiter le bruit en capturant une plus grande quantité de lumière, avec une vitesse d’obturation plus lente ou une plus grande ouverture.

Pour bien comprendre, imaginez une scène où vous n’avez pas capturé suffisamment de lumière et où le bruit vient dominer l’information réelle. Cette photo sera donc extrêmement sombre, mais si vous décidez de l’éclaircir en post-production, vous rendrez la grande proportion de bruit encore plus visible et renforcerez donc l’aspect granuleux et décoloré de l’image. La solution va être d’optimiser le rapport signal/bruit directement lors de la prise de vue. Vous pouvez le faire en utilisant une vitesse d’obturation plus longue, en utilisant une ouverture plus large ou en photographiant une scène plus lumineuse. En d’autres termes, il suffit de capturer une plus grande quantité de lumière. Celle-ci va également avoir pour effet d’augmenter le bruit, mais étant donné que le signal lumineux est en plus grand nombre, il va dominer et rendre le bruit moins visible. Ce qui compte ici, c’est donc simplement le ratio entre le signal et le bruit. 

 

L’impact de l’ISO sur le bruit 

Avec la vitesse d’obturation et l’ouverture, la sensibilité ISO est le seul réglage de votre appareil qui permet d’éclaircir une image. On dit en revanche que l’augmentation de l’ISO pour obtenir une photo plus lumineuse va avoir pour effet d’augmenter le bruit. Cela peut donc paraître contradictoire à nos recommandations précédentes consistant à augmenter la luminosité pour réduire le bruit. Cependant, en se penchant sur le fonctionnement de l’ISO, on comprend vite pourquoi il augmente l’effet granuleux de l’image. 

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Une forte sensibilité ISO va former du bruit, car vous allez augmenter la luminosité, sans optimiser le rapport signal / bruit.

Tout d’abord, l’ISO n’a aucun effet sur le bruit de photon, car ce dernier est uniquement dû au caractère aléatoire de la lumière. En réalité, la sensibilité ISO n’affecte que le bruit numérique. Augmenter votre ISO a même pour effet de réduire la quantité de bruit électronique. L’utilisation d’une sensibilité ISO a donc l’effet inattendu de réduire la «quantité» de bruit. Cependant, ce qui prime pour la qualité de l’image, ce n’est pas la quantité réelle de bruit, mais le rapport signal / bruit. Or, lorsque vous utilisez une forte sensibilité ISO, c’est que vous n’aviez pas le choix d’exposer autrement votre image et que le capteur n’a donc pas été exposé à une quantité de lumière suffisante. Cela signifie que votre rapport signal / bruit ne sera pas excellent. Ainsi, vous n’aurez pas capturé suffisamment de données lumineuses pour noyer le bruit dans les informations réelles de l’image. 

Une forte sensibilité ISO peut en revanche parfois être bénéfique, puisqu’elle va permettre de réduire le bruit électronique de votre appareil. C’est pourquoi il peut être préférable d’augmenter l’ISO lors de la prise de vue plutôt que de capturer une photo trop sombre et de l’éclaircir fortement en post-traitement. Vous obtiendrez ainsi une optimisation de la qualité de l’image, car le bruit électronique sera plus faible. Le rapport signal / bruit sera en revanche toujours mauvais. Privilégiez donc l’optimisation du signal lumineux en augmentant le temps de pause ou en utilisant une ouverture plus large lorsque vous le pouvez. 

 

La suppression du bruit en post-traitement 

Si votre photo comporte du bruit, il reste possible de le supprimer ou de le réduire en post-production à partir de logiciels comme Photoshop ou Lightroom. Les algorithmes de réduction du bruit ne sont en revanche pas miraculeux et risquent d’endommager les détails de l’image, la rendant moins nette et créant un effet de lissage. Cela peut être bien pire que d’avoir un peu de grain. La réduction de bruit doit donc être utilisée avec parcimonie. Une bonne solution consiste à appliquer une réduction par zone, avec un réglage beaucoup plus fort dans les zones floues et unies de l’image, puis plus léger dans les zones nettes où vous souhaitez préserver les détails. 

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Il est possible de réduire le bruit en post-production, mais cela va également avoir pour effet de diminuer les détails et de lisser l’image.

 

Pour résumer : qu’est-ce que le bruit en photo et comment l’éviter ? 

Comme nous l’avons vu, le bruit est inévitable et présent sur chaque image, peu importe ce que vous photographiez. Le bruit de photon et le bruit numérique sont tous les deux aléatoires, et le seul moyen de submerger ce hasard est de le noyer dans les informations réelles. Votre travail consiste donc à capturer suffisamment de lumière pour maximiser les informations réelles pour que ces dernières viennent surpasser le bruit. Pour ce faire, vous pouvez utiliser une vitesse d’obturation plus longue, une ouverture plus grande ou une scène plus lumineuse. En vous souvenant de cela, vous pourrez minimiser le bruit de vos images et capturer des photos de la plus haute qualité possible.

 

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