COMPARAISON DU CANON EOS 350D ET DU CANON EOS 400D

Cette page compare quelques paramètres des boîtiers reflex Canon 350D et 400D (et du Canon 5D pour certaines mesures). L'analyse est faite dans la perspective de la photographie à très bas flux lumineux (imagerie astronomique, paysages nocturnes, ...).

1. La taille des pixels et la résolution spatiale

Le 400D est caractérisé par des pixels de petites tailles, permettant potentiellement d'obtenir des images plus détaillés. On rappelle ci-après quelques caractéristiques géométriques du 350D et du 400D :

Le figure ci-après permet de comparer l'allure d'une même portion de champ image, présentée à l'échelle 100%, pour les boîtiers 400D, 350D , 20D et 5D. Il s'agit d'une vue de nuit acquise avec le téléobjectif Canon 200 mm f/2.8 diaphragmé à f/5.6. La mise au point a été faite avec soin pour trouver l'optimum. On présente ici uniquement la couche verte interpolée issue de l'image RAW. La différence de résolution spatiale est évidente en fonction de la taille des pixels. Le boitier 350D utilisé spécifiquement pour ce test de résolution est particulier car le filtre d'origine de coupure infrarouge est remplacé par un filtre Baader (modèle IR/UV), ayant une transmission spectrale étendue dans le rouge. Ce faisant, le filtre de brouillage d'origine (anti-moiré) a aussi disparu, ce qui donne un aspect plus piqué à l'image (mais simultanément, l'appareil est plus sensibles aux artifact d'échantillonnage).

2. Le signal d'offset

Les images sont réalisées avec une pose brève (1/2000 s) dans l'obscurité avec diverses sensibilités ISO. On montre ci-après un détail de la somme médiane de 18 fichiers RAW pour chaque configurations testées :

Le signal d'offset du 400D révèle immédiatement des points en surbrillance par rapport à la moyenne dès que l'on monte en sensibilité ISO. Il ne s'agit pas d'un signal thermique car les pixels en question ne sont pas situés au même endroit que les pixels chauds (voir plus loin) et en outre, la pose est très brève (les charges thermiques sont en nombre négligeable). Le 350D montre aussi le phénomène, mais uniquement pour la sensibilité la plus élevée et de manière nettement moins marquée. Deux boîtiers 400D et trois boîtiers 350D ont été comparés : ils présentent tous la signature du signal d'offset décrite ci-avant.

La présence de ces points brillants montre s'en doute une évolution du procédé de fabrication du capteur CMOS (moindre efficacité du système de double échantillonnage corrélé par pixel, qui fait la grande force des CMOS Canon, moindre pureté des wafers de silicium, ... ?). Il faut souligner cependant que ces points brillants, qui constituent une forme de bruit fixe, sont d'intensité très faible et peu gênant en photo traditionnelle. Plus important encore, la soustraction de deux images d'offset successives les fait disparaître quasi totalement (en effet, ils sont toujours localisé au même endroit). Autrement dit, si les images sont traités comme il se doit (prétraitement classique), il va être difficile de distinguer sur ce plan le 350D et le 400D.

3. Le bruit et le gain électronique

Le bruit de lecture est mesuré en calculant l'écart type des intensités dans une de zones de 300 x 300 pixels environ après soustraction de deux expositions brèves successives (pour éviter le bruit thermique). Le résultat est divisé par la racine de 2 car le bruit est compté deux fois (voir le protocole ici).

Le gain (inverse) en électrons/ADU est obtenu en mesurant le bruit de photon sous un éclairement uniforme (voir le protocole ici).

Le résultat est aussi donné pour le boîtier Canon EOS 5D. Les appareils testés sont standard (ils n'ont subit aucune transformation).

Bruit en obscurité et gain à 400 ISO

Le bruit de lecture du 400D par rapport à celui du 350D est légèrement plus bas, alors que les gains sont quasi identiques. Le 400D est donc en progrès par rapport au 350D sur ce point, mais cet avantage ne sera perceptible que dans des conditions particulières d'éclairement quasi nul. En éclairement normal, c'est le bruit de signal (bruit de photon) domine vite. Dans ce cas,  la réponse du 350D plus élevée (voir le paragraphe suivant) conduira à un meilleur rapport signal sur bruit sur ce dernier boîtier.

4. Réponse relative à un éclairement

Le tableau ci-après donne, pour les pixels rouge, vert et bleu, la réponse relative (R) ramenée à une même surface de pixel. Par commodité, cette réponse est normalisée à 100% pour le EOS 350. Ce paramètre est proche du rendement quantique relatif d'un pixel. Il est calculé en observant une plage uniforme et stable, d'intensité P identique pour les boîtiers testé. Si S est la surface du pixel, si g est le gain électronique en pas codeur par électron, la réponse R est proportionnelle à P.g/S.

La comparaison est étendue au boîtier Canon EOS 5D. On utilise des boîtiers standard (non défiltrés).

Rendement détecteur (pour une surface de pixel identique)

Ce tableau nous enseigne que pour une même surface équivalente de pixel, le 400D est moins sensible que le 350D de 5 points pour les pixels rouge, alors que l'écart s'inverse pour les pixels vert et bleu. Les différences sont cependant faibles. Ceci montre que, malgré la réduction de taille des pixels du 400D par rapport au 350D (5,71 microns pour 6,42 microns), les pixels du 400D ont un rendement proche du 350D, ce qui signifie que le facteur de remplissage a été amélioré dans le 400D (le rapport entre la surface effectivement sensible du pixel et de la surface totale), ou que les courbe des filtres R, V et B de la matrice de Bayer sont un peu différentes. Malheureusement, ce gain technologique ne compense pas la baisse de signal enregistré si on tient compte à présent de la plus petite taille des pixels du 400D par rapport au 350D. C'est un constat bien visible si on photographie une même surface uniforme et stable successivement avec les deux boîtiers (bien sur, réglés de la même manière). Par exemple, le tableau ci-après donne le signal en pas codeur (ADU) observé dans ces circonstances (réglage sur 400 ISO, température de couleur de la source de lumière de l'ordre de 3300K, mesure effectuée sur les fichiers RAW, résultat donné après soustraction du signal d'offset - qui vaut 256 ADU pour les deux boîtiers) :

Réponse à un même éclairement

Le déficit de réponse effective du 400D par rapport au 350D est net, en particulier pour le canal rouge. Les canaux vert et bleu sont moins affectés en raison d'un rendement détecteur un peu supérieur pour le 400D. Mais, il est clair que le 400D enregistre environ 20% de signal en moins que le 350D pour un même temps de pose. Pour mémoire, le rapport de surface des pixels du 400D et du 350D est de 0,79, soit une valeur proche du déficit de réponse noté pour le 400D.

5. Le signal thermique

Le graphique suivant est l'histogramme des intensités des pixels dans des images acquises dans l'obscurité totale, avec un temps de pose de 300 secondes et une sensibilité de 400 ISO.

On rappelle que cet histogramme donne la distribution statistique du signal thermique. Il s'avère que le 400D est affecté d'un courant d'obscurité plus élevé que celui du 350D. Le 400D conservé de très performances en signal thermique, notamment comparé à la plupart des CCD utilisé à la tempértaure ambiante. Cependant, la dégradation du 400D est significative par rapport au 350D et traduit à l'évidence un changement de technologie pour le capteur (proccessus de fabrication, pureté du silicium, ...). Ce points est confirmé sur plusieurs couples de boîtiers testé. Ce n'est pas une bonne nouvelle, tellement Canon nous avait habitué à l'excellence en matière de bruit thermique.

Les extraits d'images ci-après montrent l'aspect du signal thermique pour le 350D et le 400D (poses en obscurité de 300 secondes à 400 ISO avec une température de 24°C). Les paramètres de visualisation sont identiques.

6. Le bruit et la résolution

La petite taille des pixels du 400D ouvre la possibilité de jouer sur la résolution pour valoriser le rapport signal sur bruit. Il s'agit de réaliser un regroupement (ou binning) de pixels adjacents par simple addition. Par exemple, un binning 2x2 revient à additionner dans l'image de départ les pixels adjacents deux par deux lors de la construction de l'image de destination. Le signal dans les "superpixels" de l'image d'arrivée est 4 fois plus élevée par rapport au signal observé dans l'image de départ. Vu que nous faisons une addition non corrélée du signal (il n'y a pas de relation entre les pixels adjacents), le bruit après regroupement est réduit d'un facteur 2 (la racine carré de 4). Au final, après un binning 2x2, le rapport signal sur bruit est augmenté d'un facteur 2 par rapport à l'original. Bien sur la résolution spatiale est deux fois réduite, mais si les pixels sont de petite taille, le résultat peut demeurer satisfaisant (et une optique délivrant une image de qualité moyenne sera de toute manière mieux exploité après binning - la petitesse des pixels du 400D mettant à rude épreuve nos objectifs).

Dans l'exemple ci-après on compare l'aspect d'images longue pose réalisées dans une très faible pénombre, avec un Canon EOS 400D, un Canon EOS 5D et un Canon EOS 400D après binning 2x2 à posteriori (traitement Iris). Les images présentées sont le résultat de la soustraction de l'image exposée et d'une image faite dans l'obscurité totale avec le même temps de pose. Les calculs sont réalisés sur des fichiers RAW.

A gauche, le bruit thermique est bien visible dans l'image du 400D (noter les points brillants dans les zones sombres). Au centre, le Canon 5D montre un bruit thermique bien plus faible. Le 5D bénéficie aussi de pixels plus larges malgré un rendement quantique inférieur  : 5.71 microns pour le 400D et 8.20 microns pour 5D, ce qui représente une surface collectrice potentielle deux fois supérieure pour le 5D. Compte-tenu que le rendement quantique du 5D est légèrement inférieur à celui du 400D (voir le paragraphe 4), on peut évaluer que la réponse à l'éclairement du 5D est 1,7 fois celle du 400D. Le fait de réaliser un regroupement 2x2 des pixels du 400D (à droite) permet de retrouver des performances en bruit proches de celles du 5D. La résolution spatiale est encore correcte compte tenu de la petitesse des pixels de départ (après binning les pixels ont une taille de 11,4 microns - à comparer aux pixels de 8,20 microns du 5D ou de 9 microns d'un capteur CCD populaire de la famille Kodak KAF-0400).

La dégradation du signal thermique du 400D par rapport au 350D est bien visible dans la figure ci-après :

Le boîtier 350D utilisé est une version modifié, avec une réponse étendue vers le rouge (ce qui explique que la balance du blanc tire vers le rouge). On note immédiatement le faible bruit thermique du 350D par rapport au 400D.

6. L'électroluminescence

Les images pleine trame (mais affichée sous une forme réduite) suivante montrent le résultat d'une pose de 300 secondes à 400 ISO dans l'obscurité. Le contraste de la visualisation est très élevée pour mettre en évidence l'électroluminescence des circuits électroniques situés en périphérie de la zone photosensible.

L'électroluminescence bien connue du 350D est visible en bas à droite de l'image. Son intensité est faible dans le 350D, s'en doute la plus basse constatée dans la gamme CMOS Canon jusqu'alors. Mais le 400D résout complètement ce problème : plus aucune trace d'électroluminescence en longue pose. Il était temps car depuis longtemps, les concepteurs de caméras CCD faible flux savent fixer ce genre de soucis en coupant l'alimentation des circuits responsables durant une pose longue. C'est du reste peut être la solution adoptée par Canon ? La disparition de l'électromuminescence sur le 400D est un plus significatif.

A noter que la différence de taille des images ci-dessus est liés au nombre de pixels présent dans le capteur CMOS des deux modèles.

7. Le codage

Pour les deux boîtiers le signal noir est fixé électroniquement (clamp) au niveau de 256 ADU. Pour le 350D, le niveau de saturation est la valeur théorique pour un codage 12 bits, c'est-à-dire 4095 ADU pour tous les boîtiers testés. Pour le 400D, sur trois boîtiers testés, le niveau maximal de codage a été trouvé de 4056 ADU sur deux exemplaires et de 4095 ADU sur le troisième boîtier testé. L'un des modèles a montré des codes numériques manquant dans l'histogramme des images, un phénomène qui n'avait jamais été vu jusqu'alors dans les reflex numériques Canon.

8. La réponse spectrale

La réponse spectrale relative est obtenue avec un spectrographe LHIRES III équipé d'un réseau de 300 traits/mm. Seul les pixels recouvert du filtre rouge sont ici analysés (ils sont extraits de la matrice de Bayer des fichiers RAW en utilisant la commande SPLIT_CFA du logiciel Iris - voir les détails ici par exemple). Le graphe suivant montre la réponse spectrale trouvée, normalisé à 1 pour la longueur d'onde de 620 nanomètre (la distribution spectrale de la lampe halogène utilisée est corrigée, mais pas la fonction de transfert spectrale du specrographe - ces courbes ne sont donc qu'une approximation de la vraie réponse spectrale des boîtiers).

Réponse spectrale relative

Le rapport des réponses spectrale du 400D et du 350D est une bonne indication de l'évolution de la sensibilité les deux générations de boitiers - voir le graphe suivant :

Réponse comparée du 400D et du 350D

Pour les exemplaires testés, la réponse spectrale au niveau de la raie Halpha semble dégradée avec le 400D. Ce point semble confirmé par la moins bonne réponse globale (intégrée dans la bande spectrale) évoquée au paragraphe 4 pour le canal rouge. En revanche, le 400D répond mieux dans le proche infrarouge, ce qui permettra peut être de réaliser des images plus facilement dans cette région du spectre.

9. Conclusion

L'ergonomie générale du 350D et 400 D sont assez proches. Le grand écran du 400D est un progrès intéressent. La visualisation des paramètres de réglages sur l'écran principal, propre au 400D, ne paraissait pas convainquant au départ. Au final, il faut reconnaître que l'usage de l'appareil en est facilité (meilleure lisibilité, compteur du temps écoulé en longue pose bien lisible, ...) . Mais on peut ne pas aimer l'intense lumière de nuit. L'efficacité du système antipoussière du 400D n'a pas été évaluée ici.

La technologie du capteur a évoluée entre le 350D et le 400D. Le rendement quantique du CMOS est équivalent pour ces deux boîtiers, ce qui est une bonne performance pour le 400D car la surface du pixel a été réduite. Malheureusement, les petits pixels du 400D font que celui-ci répond moins bien à la lumière de 20% environ par rapport au 350D. C'est fâcheux pour une application faible flux. Le bruit de lecture mieux maîtrisé du 400D ne compense pas cette perte de réponse en utilisation normale. C'est la malédiction des capteurs à petits pixels et du marketing. En astronomie, et de manière générale en imagerie d'ambiance sous faible lumière, nous n'avons que faire de si petits pixels. De plus le gain effectif en résolution est mineur avec la plupart des optique. On rêvait pour le 400D d'une même taille de pixel que pour le 350D, mais bénéficiant des améliorations technologiques présentes dans le 400D (sens doute un gain dans le "fill-factor" pour ce qui concerne le CMOS du 400D). Les performances auraient été sensationnelles. Occasion manquée par Canon !

La fonderie des capteurs CMOS chez Canon a aussi été modifiée pour le 400D. Indiscutablement le signal thermique, est plus élevée dans la nouvelle génération des boîtiers de début de gamme Canon. C'est sûrement le plus mauvais point du 400D - même si le signal thermique demeure bas. C'est un retour en arrière.

Sur le plan opotolectronique, le seul gain notable visible est la disparition du phénomène d'électroluminescence.

Ajoutons encore que le système anti-poussière du 400D est susceptible de poser plus de problèmes qu'il n'en résout en imagerie astronomique. On préfère en effet que les poussières restent au même endroit, pour ensuite éliminer leur ombre lors du prétraitement (c'est la technique du flat-field, efficace et éprouvée !). Heureusement, une fonction personnalisée du 400D permet de désactiver le vibreur de l'anti-poussière au démarrage et à l'arrêt du boîtier.

Le retrait du filtre anti-IR du Canon EOS 400D semble possible, mais plus délicate que dans le cas du 350D. Le filtre est plus mince et peut être plus difficile à remplacer. La fonction de filtrage est coupée en deux. Dans le sens de la lumière, on rencontre d'abord le filtre anti-IR. C'est lui qui vibre pour enlever les poussières (via un système piezzo-électrique). Le filtre anti-aliasing (ou anti-moiré) est fixé au détecteur. Le remplacement du filtre anti-IR est une opération réalisable, mais l'épaisseur de verre nécessaire, on l'a dit, n'est pas la même que pour le 350D. Le filtre à mettre en place est typiquement deux fois moins épais pour conserver la fonction d'autofocus. Il ne semble pas disponible actuellement pour les particuliers.

Le 400D est un boîtier réussi pour la photographie de tous les jours. Agréable et performant. Rien à redire. Mais pour ce qui concerne les caractéristiques clefs en l'imagerie faible flux (paysages nocturnes, astronomie), nous nous retrouvons avec un reflex en retrait par rapport au 350D. Indiscutablement, le 350D constitue une sorte d'optimum, on s'en rend bien compte à présent. Il est même supérieur en imagerie faible flux à un boîtier plus cher, comme le 5D (celui-ci à d'autres atout). La nouveauté ne constitue pas toujours un progrès, l'arrivée du 400D le démontre.
 

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