L'ISO n'allume rien : quel gain il faut vraiment sous un ciel noir

Le curseur ISO est la commande la plus facile à atteindre dans une application en mode manuel, et dans le noir c’est aussi la plus tentante. Trente secondes de pose ne font pas sortir la Voie lactée de l’écran, alors on monte le gain, l’aperçu s’éclaircit, l’affaire semble réglée. Puis on rentre et on découvre un stack peuplé d’étoiles blanches et gonflées posées sur un fond qui ressemble à du sable mouillé. Ce curseur n’a jamais laissé passer un photon de plus par l’objectif. Comprendre ce qu’il déplace réellement, voilà ce qui sépare une nuit exploitée d’une nuit simplement amplifiée.

Le photosite compte, le gain multiplie

Un photosite travaille dans un ordre strict. Il collecte des photons pendant toute la durée de la pose, les convertit en électrons, empile cette charge dans un puits. Le nombre d’électrons qui finit dans le puits tient à trois choses exactement : la quantité de lumière que renvoie ce morceau de ciel, l’ouverture de l’objectif, le temps pendant lequel l’obturateur reste ouvert. Le gain n’entre en scène qu’une fois la collecte terminée, au moment où la charge doit être lue. Il amplifie une tension avant que le convertisseur analogique-numérique n’en fasse un nombre.

D’où le caractère trompeur du mot « sensibilité » appliqué au numérique. La norme qui encadre tout cela, ISO 12232:2019, ne définit pas une sensibilité et puis voilà : elle en définit quatre (indice d’exposition, ISO speed, standard output sensitivity, recommended exposure index), ce qui en dit déjà long. Dans un appareil numérique, le lien entre la lumière reçue et le nombre inscrit dans le fichier est une convention du constructeur, fabriquée avec du gain variable et du traitement appliqué après la prise de vue. Sur pellicule, l’ISO était une propriété chimique de l’émulsion. Dans un téléphone, c’est une table de conversion.

Le bruit qu’aucun gain ne fera baisser

Il existe une limite située en amont du capteur, en amont de l’objectif, en amont de tout ce que vous possédez. Les photons arrivent à des instants aléatoires et leur comptage suit une loi de Poisson : le bruit sur un comptage de N électrons vaut la racine carrée de N. C’est le calcul que le Space Telescope Science Institute place à la base de ses estimations de temps de pose dans l’Instrument Handbook de la WFPC2, pour Hubble, et il s’applique tel quel à votre téléphone sur un trépied à quarante euros.

Les conséquences se touchent du doigt. Un pixel ayant collecté 100 électrons porte 10 électrons de bruit intrinsèque : rapport signal sur bruit de 10, et aucune électronique au monde n’y changera rien. Amplifiez par huit et vous obtenez 800 électrons de signal pour 80 de bruit. Toujours 10. L’image à l’écran est plus claire et l’information qu’elle contient n’a pas bougé d’un pouce. Monter l’ISO montre plus tôt ce que vous avez déjà récolté. Cela n’ajoute rien à la récolte.

Là où l’analogique s’arrête et où le calcul commence

Voici la partie qui sert sur le terrain. Le vrai gain analogique, celui qui s’applique à la tension avant conversion, n’existe que jusqu’à un certain point de l’échelle. La documentation de l’API Camera2 d’Android l’annonce sans détour à travers la caractéristique SENSOR_MAX_ANALOG_SENSITIVITY : sous cette valeur, l’appareil garantit une amplification purement analogique ; au-dessus, le reste vient du processeur d’image, c’est-à-dire d’une multiplication effectuée sur des nombres déjà numérisés.

Cette multiplication, vous pourriez la faire vous-même après coup, avec n’importe quel curseur. La faire dans le boîtier a un coût : elle gonfle les valeurs hautes jusqu’à les saturer et les écrit ainsi dans le fichier, et sur les téléphones qui appliquent un tone mapping avant l’enregistrement, les dégâts sont définitifs. Si votre application de prise de vue affiche cette valeur, consultez-la une fois et retenez-la, car elle marque le plafond au-delà duquel vous payez en dynamique ce que vous ne recevez pas en signal. Si elle ne l’affiche pas, il reste la voie empirique : monter par paliers et repérer le moment où le fond de ciel s’éclaircit tandis que les étoiles faibles cessent de gagner du contraste.

Le seul bruit sur lequel le gain agit vraiment

Une exception honnête existe, sans quoi toutes les caméras tourneraient à gain fixe. Le bruit de lecture, celui qu’introduit l’électronique au moment où elle mesure la charge, se comporte autrement que le bruit de Poisson : en augmentant le gain de conversion, le signal utile est amplifié avant l’étage bruyant, et le bruit de lecture ramené à l’entrée diminue. C’est la raison d’être du double gain de conversion des capteurs récents, avec un mode à fort gain destiné aux scènes sombres.

Le prix figure sur la même ligne. Augmenter le gain de conversion raccourcit le puits. Un pixel bien documenté, le design à double gain de conversion de 0,8 micron d’un capteur de 64 mégapixels présenté à l’IEDM en 2019, annonce une capacité de 12 000 électrons à saturation. À ce niveau le bruit de Poisson vaut environ 110 électrons, soit un rapport signal sur bruit de l’ordre de 110 : le maximum théorique de ce pixel sur une pose unique. En mode fort gain, le puits raccourcit et ce plafond descend avec lui. Vous gagnez dans les ombres, vous rendez dans les hautes lumières. Les étoiles brillantes habitent les hautes lumières.

La règle pratique, en trois gestes

Le temps de pose se décide en premier, et ce qui le décide est la rotation terrestre à travers la limite au-delà de laquelle les étoiles filent. C’est une contrainte géométrique. Le reste passe après.

Le temps étant fixé, le gain a une seule mission : décoller le fond de ciel du bas de l’échelle. Si le signal du ciel reste collé à zéro, les quelques électrons récoltés se retrouvent écrasés dans les premiers niveaux du convertisseur et la quantification en dévore une partie. La référence est l’histogramme, pas l’aperçu : le pic du fond de ciel doit quitter le bord gauche et se caler autour d’un dixième de la hauteur. Chaque cran d’ISO au-delà, c’est de la dynamique offerte.

Troisième geste, celui qu’on oublie toujours. L’ISO reste identique sur toute la session, images de calibration comprises : le bruit de lecture et l’offset se déplacent avec le gain, et un dark pris à un autre ISO soustrait quelque chose que vos brutes ne contiennent pas. L’inverse vaut aussi. Si vous montez le gain au milieu de la nuit parce que la Lune s’est couchée, vous avez deux séries, et deux séries se traitent comme telles.

Trois cents poses battent n’importe quel curseur

Le calcul final ne change jamais. En empilant N images alignées, le signal croît comme N alors que le bruit aléatoire croît comme la racine de N : cent poses intégrées valent dix fois le rapport signal sur bruit d’une seule. Aucune position du curseur ISO ne fait quoi que ce soit d’approchant, pour la raison très simple que le gain amplifie aussi le bruit qu’il cherche à recouvrir. Le temps total sur la cible est la seule monnaie que le ciel accepte.

D’où une règle qui a l’air paresseuse et qui fonctionne mieux que les autres : prenez le gain le plus bas qui maintienne votre fond de ciel écarté de zéro, puis n’y touchez plus et occupez-vous du nombre de poses. Trois cents images à gain modéré donnent des étoiles dont la couleur reste lisible, un fond que l’on peut étirer et des images de calibration encore valables. Trente images à l’ISO maximal avaient déjà tout donné pendant que vous regardiez l’écran.

Le ciel est avare en photons, mais il l’est équitablement. Il les réserve à qui reste dehors le plus longtemps.