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La plupart des gens comprennent comment utiliser les cotes ISO dans leurs photographies, mais que sont-ils? D'où viennent ces chiffres et quelle est la différence entre l'ISO dans le film et le numérique? Dans ce tutoriel, nous explorons l’histoire et les fondements techniques du système. Si vous vous êtes déjà demandé ce que signifie ISO ou comment cela fonctionne, celui-ci est fait pour vous.!
En photographie, "ISO" désigne le système de mesure standard du degré de sensibilité à la lumière d'un film ou capteur photographique. Nous pouvons contrôler l’ISO pour créer une image correctement exposée: pas trop claire ni trop sombre.
ISO signifie Organisation internationale de normalisation, un organisme mondial qui s'emploie à normaliser tous types de produits et de procédés pour une interopérabilité et une sécurité maximales. En 1974, l'ISO a exploité les dernières avancées des systèmes DIN allemand et américain ASA (devenu ANSI) pour les transformer en une seule norme universelle pour les films: les numéros ISO. Lorsque les capteurs numériques sont sortis, les fabricants ont finalement adopté les mêmes numéros standard.
Les deux systèmes précédents, DIN et ASA, remontaient aux années 1930 et 1940, avant la coexistence de divers systèmes de classification de différents fabricants et ingénieurs..
Que signifient les chiffres eux-mêmes? Il existe quatre normes ISO, une pour les films négatifs couleur, les films négatifs noir et blanc, les films inverseurs (diapositives) et les capteurs numériques. Celles-ci sont calibrées pour que, quel que soit le type de film ou de support, la sensibilité effective soit la même. Ceci est très utile à des fins pratiques lors de la prise de vue, car il permet au photographe de contrôler davantage et plus rapidement l'exposition..
Cependant, les différences d'émulsion et d'interprétation des processus de mesure entre les fabricants, les usines et même les lots, ainsi que la variabilité inhérente à un processus chimique, signifient que même avec la normalisation, les résultats peuvent varier. Sur le terrain, les photographes ont constaté que, pour certains films, attribuer à l'appareil photo une classification ISO légèrement différente de la vitesse nominale d'un film peut donner certains résultats souhaitables..
La vitesse du film est mesurée à partir d'une "courbe caractéristique" décrivant la performance tonale générale d'un film. Voici comment ça fonctionne:
La courbe tonale est créée à l'aide d'une "tablette sensitométrique", une pièce de verre spéciale constituée d'un ensemble précisément calibré de 21 nuances de gris équidistantes (du noir au blanc). Les dégradés de gris sont exposés sur le film. Après traitement, l’exposition graduée de l’émulsion peut être lue à l’aide d’un densitomètre calibré, une machine qui lit la densité réelle du film..
Les 21 étapes sont ensuite mesurées chacune avec précision et une fois que toutes les 21 étapes ont été mesurées, elles sont tracées sur un graphique en millilux-secondes..
Ce graphique comporte différentes parties qui expliquent divers aspects de la performance du film, tels que la formation de buée, le gamma, le contraste, etc. La partie qui nous intéresse pour la vitesse nominale du film est de 0,1 unité de densité au-dessus de la densité minimale, appelons ce point X. Cette valeur n’est pas particulièrement scientifique, mais est traditionnellement acceptée comme différence minimale de densité que l’œil humain moyen puisse différencier..
L'équation de la vitesse du film (oui, il y en a un) est vitesse = 800 \ over log ^ - 1 (x). Si l'exposition est mesurée en lux-secondes plutôt qu'en millilux-secondes, ceci devient: vitesse = 0.8 \ over log ^ - 1 (x) Notez que j'écris le journal pour la base 10, pas dans pour bûche naturelle (base-e).
La partie importante est que, généralement, lorsque la vitesse double ou diminue de moitié, il en va de même pour la sensibilité à la lumière..
Le film est constitué d'une suspension de cristaux d'halogénure d'argent dans un liant à la gélatine. Cette émulsion est finement déposée en couches avec de nombreux colorants pour agents colorants ou agents de traitement sur une base de celluloïd, protégée au verso avec des revêtements pour la manipulation physique. Les cristaux d’halogénures d’argent constituent le milieu photoréactif.
Ils réagissent uniquement à l'extrémité bleue du spectre de la lumière visible (d'où la nécessité d'utiliser des filtres UV pour filmer des films), ils sont revêtus ou imprégnés pendant la croissance par des composés organiques qui les sensibilisent à tout le spectre visible..
Les photons frappant l'argent transmettent leur énergie à la molécule. Cela provoque l'éjection d'un électron d'un ion halogénure dans le cristal d'halogénure d'argent. Cela peut être piégé par un ion d'argent pour former un atome d'argent électriquement neutre.
Ce n'est pas stable, cependant. Davantage de photoélectrons doivent être disponibles dans la même région pour former plus d'atomes d'argent afin de former un groupe stable d'au moins trois ou quatre atomes d'argent. Sinon, ils peuvent facilement se décomposer en ions argent et en électrons libres. Plus d'atomes d'argent peuvent se former aussi longtemps que des photoélectrons sont générés.
Après exposition, mais avant traitement, votre film a une latent image: aucune image n'existe encore, mais si nous la trempons dans les bons produits chimiques, nous pouvons en fabriquer un.
Lors du traitement, un groupe d'atomes d'argent pur de la taille stable décrite ci-dessus catalysera la réaction avec le révélateur, qui décompose ensuite le cristal entier en un grain d'argent métallique qui apparaît en noir du fait de sa taille et de sa surface non polie..
Le fixateur fixe ensuite l’image en dissolvant les cristaux de sel d’halogénure d’argent restants, qui sont ensuite rincés (et stockés dans l’espoir pour être recyclés). C’est la base générale de la photographie depuis plus d’un siècle. Alors, qu'est-ce que cela a à voir avec la sensibilité du film?
La réponse à cette question est très simple: la probabilité. Plus les cristaux d'halogénure d'argent sont gros, plus il est probable que les photons les atteignent et soient absorbés. Pour faire une analogie de base, si vous agitez un grand filet à papillons à travers un grand essaim de papillons, vous risquez d'en attraper plus qu'avec la même vague à travers le même essaim à l'aide d'un petit filet..
Les gros cristaux ont une plus grande surface face au cristallin et, logiquement, la sensibilité à la lumière est directement corrélée à la probabilité que la lumière frappe la surface..
Ainsi, les films lents comme ISO 25, 50 et 100 ont des grains très fins qui réduisent la quantité de lumière les frappant, ce qui est utile pour capturer des détails fins. Inversement, les films très rapides comme ISO 1600 et 3200 ont des grains relativement gros pour une chance maximale de capturer des photons, d’où leur qualité extrêmement granuleuse..
Les appareils photo numériques, n'ayant pas de processus chimique, ne peuvent pas être mesurés avec la même méthode que le film. Toutefois, le système de classement ISO est conçu pour être raisonnablement similaire au film en termes de sensibilité à la lumière. Techniquement, le terme capteurs numériques est "Indice d'exposition" plutôt que "ISO", mais comme une norme ISO le couvre, je ne vois aucun problème à utiliser le "ISO" plus traditionnel. Pratiquement parlant, la plupart du monde est d'accord.
Au lieu d'un niveau d'exposition visible minimum, la sensibilité des capteurs numériques est déterminée par l'exposition requise pour produire une sortie de signal caractéristique prédéterminée. La norme ISO régissant la sensibilité des capteurs, ISO 12232: 2006, décrit cinq méthodes possibles pour déterminer la vitesse du capteur, bien que seules deux d'entre elles soient utilisées régulièrement..
Le capteur d'une caméra est constitué d'une matrice de millions de photodiodes microscopiques, généralement recouvertes de microlentilles pour une captation de lumière supplémentaire et d'un filtre à motif Bayer pour capturer les couleurs. Chacun représente un seul pixel.
Une photodiode peut fonctionner en mode photovoltaïque à polarisation nulle (sans tension appliquée), où le courant de sortie est limité et la capacité interne optimisée, ce qui entraîne une accumulation de photoélectrons sur la sortie..
Il peut également fonctionner en mode photoconducteur polarisé en inverse (en marche arrière), où les photons absorbés dans la jonction p-n libèrent un photoélectron qui contribue directement au courant traversant la diode..
Les capteurs de caméra utilisent ce dernier moyen, car la tension appliquée à la diode en polarisation inverse augmente la capacité de collecte des photons en élargissant la région d'appauvrissement et réduit les risques de recombinaison dus à la force accrue du champ électrique séparant les porteurs de charge..
Soudain perdu? Passons en revue le fonctionnement des photodiodes qui composent le capteur de votre appareil photo.
En clair, lorsque la lumière frappe votre capteur, elle excite le matériau. Cette excitation provoque une infime charge électrique de circuler d'une partie du capteur à une autre. Quand cela se produit, nous pouvons mesurer cela et transformer l’impulsion en un signal que nous pouvons ensuite transformer en une image..
La voici à nouveau dans les détails techniques:
Une photodiode est essentiellement une diode à semi-conducteur normal, un dispositif permettant la circulation du courant électrique dans un seul sens, avec la jonction p-n exposée à la lumière. Cela permet aux photoélectrons d’affecter le fonctionnement électronique du dispositif, c’est-à-dire. il rend le capteur sensible à la lumière.
Une jonction p-n est un morceau de semi-conducteur à dopage positif fusionné avec un morceau de semi-conducteur à dopage négatif. Le dopage consiste à perfuser des impuretés qui donnent ou acceptent des électrons afin de modifier la disponibilité et la polarité de la charge dans un morceau de semi-conducteur. Cette manipulation sélective de la charge est la base de toute électronique.
Près du point de jonction dans le semi-conducteur, les électrons du côté dopé en négatif sont attirés vers et ont tendance à se diffuser dans le côté dopé en postive. Il y a des trous sans électrons dans le réseau de semi-conducteurs, ce qui entraîne une charge positive nette. Les trous sont traités comme des particules chargées positivement à des fins générales. Ceux-ci ont également tendance à se diffuser dans le côté dopé négatif.
Cependant, une fois que suffisamment de porteurs de charge mobiles (électrons et trous) se sont accumulés dans chaque côté, il y a suffisamment de charge pour générer un champ électrique qui tend à empêcher plus de porteurs de charge de se diffuser. Un équilibre de charge est atteint. Les porteurs diffusants sont égaux aux porteurs repoussés dans chaque direction.
Cette zone équilibrée près de la jonction est ce qu'on appelle une région d'appauvrissement, où se trouve un nuage d'électrons du côté dopé positif de la jonction et un nuage de trous du côté dopé négatif. Les transporteurs ont été épuisés de leurs positions d'origine et ont créé une différence de charge, ce qui entraîne un champ électrique, c.-à-d. potentiel de tension intégré. C'est la base d'une diode. Une photodiode est essentiellement la même chose, mais avec une fenêtre transparente pour permettre aux photons d'atteindre la région d'appauvrissement.
La diode à polarisation inverse élargit la région d'appauvrissement en surmontant l'équilibre de charge naturelle de la région d'appauvrissement et en établit un nouveau, où le champ électrique natif doit maintenant être suffisamment puissant pour opposer à la fois l'attraction, la diffusion et le champ électrique appliqué. Cela nécessite bien sûr une plus grande région d’appauvrissement contenant plus de charge pour générer un champ plus fort..
Lorsqu'un photon d'énergie suffisante frappe et est absorbé par le réseau de semi-conducteurs, il génère une paire électron-trou. Un électron gagne assez d'énergie pour échapper à la liaison atomique du réseau et laisse derrière un trou. La recombinaison peut se produire immédiatement, mais en grande partie ce qui se produit est que l'électron est tiré dans la direction de la région dopée négative et du trou vers la région dopée postive..
Souvent, ils peuvent se recombiner avec d'autres porteurs de charge dans le semi-conducteur, mais idéalement, avec une distance de transit optimisée du photosite au collecteur d'électrodes (suffisamment courte pour éviter la recombinaison, mais suffisamment longue pour maximiser l'absorption des photons), les porteurs atteindront l'électrode et contribueront à le photocourant au circuit de lecture.
Bref, plus les photons sont absorbés, plus les porteurs de charge atteignent les électrodes, et plus la lecture du courant envoyée au convertisseur analogique-numérique de la caméra est élevée. Plus le courant est élevé, plus l'exposition reçue est élevée et plus le pixel est lumineux..
Comme je l'ai mentionné ci-dessus, l'ISO est souvent mesurée en utilisant l'exposition requise pour saturer les photosites. Je viens d’expliquer ce que sont les photosites; la région d'appauvrissement à l'intérieur des photodiodes. Alors, comment deviennent-ils saturés? Le nombre d'électrons que les photons peuvent exciter n'est pas illimité. Après l'absorption d'une certaine quantité d'énergie lumineuse, le semi-conducteur a libéré autant de charge que possible sur les électrodes et ne répond plus à une exposition ultérieure..
Photographiquement, il s’agit de la capacité totale du puits ou du point de coupure en surbrillance. Habituellement, les fabricants déconseillent délibérément leurs capteurs afin de conserver de la marge dans les hautes lumières, ce qui permet de récupérer les hautes lumières dans le format RAW..
Selon la norme ISO 12232, l’équation permettant de définir la vitesse basée sur la saturation est la suivante: S_ sat = 78 \ over H_ sat où H_ sat = L_ sat t. L_ sat est l'éclairement requis pendant un temps d'exposition donné pour atteindre la saturation du capteur. Le 78 est choisi de telle sorte qu’une surface grise à 18% apparaîtra avec 12,7% de blanc.
Cela permet à la marge finale de la cote finale pour que les rehauts spéculaires disparaissent naturellement et non comme des points encombrants. Cette note est particulièrement utile pour la photographie en studio où l'éclairage est contrôlé avec précision et qu'une information maximale est requise..
L'ISO définit un autre test d'évaluation moins utilisé mais plus utile pour les scénarios réels, à savoir l'essai de vitesse basé sur le bruit..
Il s'agit d'un test plutôt subjectif, car la qualité de l'image et les critères de test sont quelque peu arbitraires. les rapports signal sur bruit (S / N) utilisés sont de 40: 1 pour un QI "excellent" et de 10: 1 pour un QI "acceptable", basé sur la visualisation d'une impression à 180 dpi à partir de 25 cm. Le rapport S / N est défini comme l'écart type d'une moyenne pondérée des valeurs de luminance et de chrominance de plusieurs pixels individuels dans la trame..
L'écart-type est un moyen de déduire mathématiquement la variation de la valeur des données collectées de la valeur moyenne ou attendue. C'est la somme de toutes les différences au carré, divisée par le nombre de points de données de l'ensemble, racine carrée. Essentiellement, une moyenne des déviations.
Photographiquement, cela signifie que la moyenne des pixels de test est calculée pour trouver la valeur "attendue" du signal lumineux. Ensuite, l’écart type définit à quelle distance les pixels de test individuels ont tendance à s’éloigner de cette moyenne. En supposant que les pixels aient une valeur relativement uniforme, cet écart par rapport à la moyenne correspond au bruit provenant du capteur ou de l'électronique de traitement..
Le rapport entre la valeur moyenne (signal) et l'écart type (bruit) est le rapport S / N. Plus ce rapport est élevé, moins il y a de bruit dans le signal. Par exemple, pour "l'excellent" standard de qualité d'image de 40: 1, cela signifie qu'en moyenne, il n'y a qu'un seul bruit sur 40 bits de signal d'image. La grande différence entre l'image et le bruit est ce qui crée l'image nette.
Le bruit peut être introduit de plusieurs manières: courant de saturation / d'obscurité dans les photodiodes, électrons aléatoires libérés thermiquement dans les photodiodes ou électronique de traitement (bruit thermique), mouvement du porteur de charge dans la région d'appauvrissement des photodiodes (bruit de décharge) et imperfections dans structure cristalline ou contaminants entraînant des captures et des rejets aléatoires d'électrons (bruit de scintillement).
L’augmentation du bruit résultant de l’augmentation du réglage ISO sur la caméra résulte de l’augmentation du gain des préamplificateurs entre le capteur et le convertisseur A / N. Le rapport S / N est nécessairement réduit, car pour produire une exposition "correcte" à forte amplification, il doit y avoir une exposition moindre. Moins d'exposition signifie moins de signal, donc un bruit relativement plus important en fraction de ce niveau réduit.
Un exemple mathématique simple; Par exemple, à 100 ISO, une exposition correcte est obtenue en remplissant un pixel donné avec une capacité de puits de 80%, et son rapport S / N est de 40: 1, de sorte que +/- 2% de la lecture en cours est induite par le bruit. Augmenter l'ISO à 800 signifie que les amplificateurs amplifient le signal de 8 fois, et l'exposition correcte est donc atteinte avec une capacité de puits de 10% seulement. Le niveau de bruit de +/- 2% reste toutefois à peu près le même et est amplifié avec le niveau du signal. Maintenant que le rapport S / N 40: 1 est devenu un rapport 5: 1 et que l'image est inutile.
Vous pouvez voir pourquoi il est important de filmer avec le plus d'exposition possible et le moins d'amplification possible. La technologie des circuits et des capteurs, ainsi que les algorithmes de débruitage, sont en constante amélioration; Il suffit de penser à la différence entre un tir ISO 800 de 2008 et un tir ISO 800 d’aujourd’hui. La majorité des images sont également visionnées en ligne avec des tailles relativement petites, et le redimensionnement réduit également le bruit..
Toutefois, pour les impressions grand format, vous pouvez comprendre pourquoi il est essentiel de prendre des photos avec beaucoup de lumière et à la base ISO. D'où également la maxime "exposer à droite", signifiant que l'image est aussi lumineuse que possible sur l'histogramme sans surlignage. Non seulement cela maximise la quantité de signal lumineux par rapport au niveau de bruit raisonnablement fixe de l'électronique d'imagerie, mais la façon dont les données sont numérisées signifie qu'il est possible de stocker plus d'informations dans les points forts que dans l'ombre..
C'est à peu près tout, je pense. J'espère que cet article a été intéressant, peut-être même utile, pour certains d'entre vous, et que vous ne vous êtes pas trop perdu dans les détails techniques de la physique des solides!
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