N'ayez par peur des caméras CCD

Les webcams et autres caméras vidéos (II)

A l'ère de l'intégration électronique, les petites webcams à moins de cent euros et les caméras astronomiques ont séduit pas mal d'amateurs avertis pourtant habitués à travailler avec du matériel d'une autre qualité. Pourquoi un tel engouement ?

Honneur aux pionniers, la webcam fut inventée en 1993 en Angleterre, au département informatique de l'Université de Cambridge. En 1994, Jeff Schwartz et Dan Wong alors étudiants à l'Université d'État de San Francisco (SFU) firent la même découverte et mirent au point la "fogcam". La première webcam fut commercialisée en 1994, il s'agissait de la QuickCam fabriquée par la société Connectix dont les produits furent rachetés en 1998 par Logitech.

Avantages et inconvénients

Les webcams offrent l'avantage d'être compactes et très bon marché tout en offrant des définitions variant entre 76 kpixels (320x240 pixels) et 50 Mpixels pour les plus performantes. Elles supportent des images au format VGA ou HD et des vidéos au format AVI, parfois WMN ou MOV, leur prix augmentant proportionnellement à leurs performances tout en restant très accessible (20-80 €).

Vu leur faible encombrement et leur légèreté, il est également facile de les relier à l'oculaire d'un télescope au moyen d'un simple adaptateur ou de fabriquer soi-même un adaptateur avec des pièces de récupération ainsi que nous l'expliquent quelques passionnés sur Astrocam.

A gauche, une webcam ToUcam Pro de Philips (640x480 pixels) modifiée par Pedro Ré pour l'astrophotographie. Au centre, une webcam Quickcam VC de Logitech (320x480 pixels) modifiée pour l'astrophotographie par Ulrich Beinert et Philip Noack. A droite, empilement (stacking) des 260 meilleures images d'une séquence de 1m11s (à 15 fps) de Saturne réalisé le 28 novembre 2001 par les mêmes auteurs avec une ToUcam Pro de Philips fixée sur un télescope Vixen VMC 200L. L'image fut ensuite traitée avec un masque flou (en haut à droite) avec le programme Giotto puis corrigée pour équilibrer les couleurs.

Capable d'enregistrer entre 5 et 60 fps selon la résolution et leurs performances, les images fixes individuelles peuvent offrir une excellente balance des couleurs, un bon contraste et une image très nette sur les modèles comme la Philips ToUcam ou la Logitech Pro 9000.

Techniquement toutefois la sensibilité du capteur chute un peu trop rapidement en lumière bleue mais offre un bon rendement jusqu'en proche infrarouge.

Si les webcams ont l'avantage du prix, du poids plume et de la simplicité, comme la quasi totalité des systèmes optiques portatifs actuels elles nécessitent une connexion directe à l'ordinateur par câble USB sur le lieu même de prise de vue (d'où l'intérêt des ordinateurs portables). Il existe bien entendu des solutions Wi-Fi.

Notons qu'avec l'amélioration des performances des capteurs photosensibles, depuis les années 2000-2005 les webcams ont été remplacées par des caméras CCD.

Les caméras astronomiques

A côté des webcams et des caméras CCD classiques, quelques fabricants (ImagingSource, i.Nova, Lumenera, ZWO, etc.) proposent des caméras CCD ou CMOS capables d'enregistrer des images de 2.8 Mpixels à la cadence de 54 fps chez Lumenera ou de 6.4 Mpixels à 164 fps et même 239.8 fps à faible définition (320x240 pixels) pour les caméras de ZWO. Elles disposent également d'une liaison à haut débit vers l'ordinateur et sont plus plus flexibles et plus performantes que la plupart des caméras CCD traditionnelles du fait de leur nouvelle technologie.

Plus chères (300-1500 €) et un peu plus lourdes (400 g en moyenne pour les modèles refroidis) que les webcams, certaines présentent un faible facteur de forme (profil) et ne sont pas plus encombrantes et même parfois plus petites que les caméras CCD classiques. Elles peuvent donc être utilisées sur des instruments de 60 à 130 mm de diamètre fixés sur des montures stables et robustes (ces instruments appartiennent généralement à la catégorie des modèles de milieu et haut de gamme).

En complément de leur excellente qualité d'image en monochrome ou couleur comme on peut le voir dans la galerie des chefs d'oeuvre notamment en imagerie planétaire, ces caméras astronomiques sont équipées d'un port USB 2.0 ou 3.0, Firewire (IEEE1394) ou Gigabit Ethernet (GigE). Une connection à haut débit est nécessaire en raison de la haute définition et donc de la grande taille des fichiers images, trop grands pour être transférés par une liaison série classique qui durerait des heures pour télécharger des centaines ou des milliers d'images de plusieurs mégabytes chacune.

Enfin, ces caméras de nouvelle génération supportent la plupart des formats d'image RAW, BMP, JPEG, PNG, FITS et TIFF ainsi que les formats vidéo AVI et SER.

Caméscopes et APN à capacité vidéo

Les caméscopes HD comme les APN munis de capacités vidéos sont autonomes, polyvalents, relativement légers (200-800 g) et les modèles de milieu et haut de gamme ne sont pas plus chers que de bonnes caméras CCD astronomiques de 30 fps mais n'ont pas leurs fonctionnalités (à part les APN réflex l'objectif est souvent solidaire du boîttier, ils sont munis d'un filtre IR bloquant, ils ne sont pas refroidis, ne disposent pas de capteur de guidage, de mode binning et d'anti-blooming parmi d'autres fonctions).

En général les caméscopes et les APN de dernière génération supportent le format vidéo AVCHD (algorithme MPEG-4) et parfois MOV tandis que les APN compacts proposent généralement un format AVCHD Lite et Motion JPEG (M-JPEG) de basse résolution.

Les temps d'exposition (ou d'intégration) varient généralement de 1/10000^e à 60 minutes pour une caméra ImagingSource, de 1/8000^e à la pose B pour les APN et de 1/2000^e à 1/2 s pour les caméscopes. En général cette latitude n'est jamais exploitée car la Lune par exemple supporte des temps d'exposition variant entre 1/500^e et 1/10^e de s. Pour les planètes en revanche, on peut descendre jusque 1/10^e de seconde voire même plus lent.

A gauche, un télescope Pentax MS-5 équipé d'une lunette-guide et d'une caméra couleur Vixen interfacée avec l'ordinateur. L'image en temps réel s'affiche sur l'écran d'un ordinateur et peut être sauvegardée pour être traitée ultérieurement. Au centre et à droite, un APN hybride Sigma fp (FF 24x36 mm) fixé au foyer d'un astrographe Schmidt Rowe-Ackermann (RASA) Celestron 11" f/2.2 équipé d'un convertisseur 2x TC2001 et d'un porte-filtre UFC de Baader. Comme tout APN, le Sigma fp peut fonctionner seul, sans ordinateur, et dispose de capacités vidéos 4K UHD. Il peut aussi être déclenché par câble (cf. le déclencheur JJC). Mais dans la configuration RASA, on ne peut plus accéder à l'APN pour effectuer la mise au point. Il faut donc le connecter par câble à une lunette-guide (par ex. M-GEN de Lacerta) qui pilote la monture et par câble HDMI à un ordinateur pour assurer la mise au point et acquérir les images ou les vidéos. Le faible facteur de forme de l'APN (113 x 70 mm) n'affecte pas beaucoup l'obstruction centrale. Documents Astroarts et Mark J. Ford/DPReview.

Concernant le bruit électronique qui provient de différentes sources dont l'agitation thermique, ce bruit parasite peut passer inaperçu sur les caméscopes et les vidéos prises par les APN car à la cadence de 30 images par seconde, temps d'obturation maximale d'un caméscope ordinaire, le cerveau intègre les images successives et rend l'aspect granuleux beaucoup moins apparent.

Ces systèmes vidéos donnent d'excellents résultats si la luminosité est suffisante et si on connaît leurs limites. Justement, en imagerie planétaire, le temps d'exposition est souvent instantané et le bruit thermique qu'il entraîne, même s'il est faible sur certains modèles, ne permet pas toujours d'obtenir des images de grande qualité (voir les exemples dans les liens en page 6).

En astrophotographie du ciel profond, les conditions empirent car le temps d'intégration peut atteindre des dizaines de minutes voire plusieurs dizaines d'heures au total pour révéler toute l'étendue ou la structure du sujet. Le bruit devient si apparent que la soustraction d'une image noire et autres biais deviennent obligatoires comme nous l'expliquerons un peu plus loin.

A gauche, M20 photographiée par Xavier Ambs au foyer d'une lunette apochromatique William Optics FLT 132 sur monture Losmandy G11 équipée d'un APN Canon EOS 350D défiltré et muni d'un filtre H-alpha Baader BCF. Il s'agit de l'empilement de 75 images exposées 2 minutes chacune. A droite, Saturne photographiée le 12 février 2002 par David Hanon avec une lunette Astro-Physics de 180 mm f/9 EDT équipée d'un oculaire de 11 mm. Il s'agit de l'empilement de 46 images extraites d'un film vidéo réalisé avec un caméra vidéo MiniDV, zoom au maximum. Les images ont été traitées sous MaxImDL.

Dans ces conditions, il est préférable d'abandonner les caméscopes et APN qui pour la plupart ne sont pas adaptés à l'astrophotographie du ciel profond. L'idéal est d''utiliser une caméra CCD dédiée à l'astrophotographie, certains modèles étant particulièrement complets, compacts, adaptés à la trichromie ou enregistrant directement des images en couleurs. Réservez uniquement les caméscopes et le mode vidéo des APN pour l'imagerie planétaire mais sachez que les caméras CCD sont plus performantes. Parmi les rares APN adaptés à l'astrophotographie, citons les APN Canon EOS 1DX, Canon EOS Ra ou mieux encore l'APN hybride Sigma fp. On y reviendra.

Durée et taille des enregistrements vidéos

Pour des raisons techniques, compte tenu de la taille des fichiers et de la faible vitesse de transfert entre la caméra et le PC (peu de caméras disposent d'un port Firewire à 50 ou 100 MB/s), l'enregistrement s'effectue en général entre 5-10 fps, taux qui limite la taille des fichiers à quelques dizaines de mégabytes.  En effet, il faut savoir que pour une définition de 640x480 pixels et une profondeur de pixel de 24 bits, chaque image occupe 0.92 MB. Un film AVI de 10 secondes enregistré à la cadence de 10 images/sec (soit un film de 100 images individuelles) occupera un espace disque de 92 MB.

Il faut également veiller à ne pas utiliser un taux de compression trop élevé qui dégraderait sérieusement la qualité des images et empêcherait toute optimisation ultérieure. Tous ces paramètres et bien d'autres (mise au point, gain, luminosité, etc) peuvent être ajustés à travers le logiciel pilotant la caméra.

Pour les APN équipés d'un mode vidéo c'est un peu plus simple et le paramétrage se limite généralement au choix du format et de la résolution, les autres paramètres étant réglés automatiquement (balance des blancs, sensibilité, luminosité, etc).

Précisons que si vous utilisez une caméra analogique, vous pouvez digitaliser le film au moyen d'un digitaliseur vidéo ou "frame grabber". Matrox par exemple propose différentes cartes d'interfaces très performantes (1750$ pour la Matrox Radient eCL). A présent votre séquence est lisible par tout bon logiciel de traitement d'image et vous disposez de toute la panoplie des fonctions pour améliorer sa qualité et même la convertir dans d'autres formats.

Prochain chapitre

Les systèmes de guidage