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N'ayez pas peur des caméras CCD

Une merveilleuse photographie LRGB de la nébuleuse Dumbbell, M27 réalisée par Roland Christen. Il utilisa un télescope Maksutov-Cassegrain de 250 mm f/14.6 équipé d'une caméra CCD SBIG ST-10E travaillant en mode binning 2x2 et équipée d'une roue à filtres colorés. Exposition: RGB=5min, L=10min.

La calibration ou prétraitement d'image (V)

Une fois le fastidieux travail d'acquisition terminé et les images téléchargées dans votre ordinateur, vous êtes loin d'avoir achevé votre travail. En effet, comme dans la chambre noire de nos grands-parents, vous n'avez réalisé que la moitié du travail ! La seconde partie consiste à corriger vos images brutes avec la contrainte supplémentaire que les images numériques sont sensibles au bruit électronique et aux autres parasites, autant de signaux que nous devrez supprimer pour prétendre à quelque résultat de qualité.

Dans cette page, nous allons résumer la procédure de pré-traitement à suivre en vous présentant les étapes clés du processus. Dans d'autres articles nous discuterons de certaines étapes spécifiques du traitement d'image.

Le traitement numérique d'une image astronomique se divise habituellement en deux étapes clés :

- Le prétraitement ou pre-processing durant lequel les images sont calibrées

- Le traitement ou post-processing durant lequel les images sont corrigées et optimisées.

Le but poursuivi est de supprimer les effets parasites induits par le système de prise de vue, les défauts et autres dominances visibles dans les images et d'accentuer tous les détails dans la mesure où ils peuvent améliorer la qualité générale du document.

La calibration ou prétraitement d'image

La première étape de notre traitement numérique est la calibration ou prétraitement (pre-processing), une étape indispensable pour les applications photométriques ainsi que pour toutes les prises de vue réalisées dans des conditions de faible éclairement : les objets planétaires et le ciel profond.

Cette étape n'est pas obligatoire si la brillance et le contraste du sujet permettent de réaliser des prises de vue instantanées, si la qualité des images ne souffre pas du bruit électronique ou si l'objet se déplace rapidement. En général seule la photographie de la Lune en haute résolution satisfait à ces critères (mais les images peuvent malgré tout bénéficier avantageusement d'un traitement d'image classique).

La calibration consiste à réaliser trois images supplémentaires (mais généralement on les multiplie) du même sujet dans le but de soustraire toutes les erreurs imputables à l'électronique et éventuellement au système d'entraînement ainsi que les traces parasites (rayons cosmiques, etc.). Ces images consistent en une image noire (dark frame), une image de champ plat (flat-field frame) et une image d'offset (bias frame), tandis que l'image brute (light frame) contient la photographie du sujet.

Réalisation d'une image de champ plat par John.

- L' image noire ou "dark frame" s'obtient en réalisant en l'absence totale de lumière avec l'obturateur fermé, une image durant la même durée et aussi proche que possible dans le temps de l'image originale. Cette image noire est la plus importante du prétraitement car même maintenue dans une atmosphère froide, le chip CCD présente une réponse thermique, un courant d'obscurité et de lecture qui génèrent des photons parasites.

Cette image noire contient donc également le bruit de biais ou "bias" généré par le bruit systématique des composants électroniques et le bruit thermique décrit précédemment.

L'image noire doit être soustraite de l'image brute (light frame) pour éliminer ces bruits électroniques constants.

- L' image de champ plat ou "flat field frame" (FFF) s'obtient en photographiant une surface uniformément éclairée dans les mêmes conditions de prise de vue que l'image brute originale (même télescope, orientation de la caméra, mise au point, filtre, projection).

Etant donné qu'il est parfois difficile de trouver une source uniforme de lumière, on peut se contenter de photographier un écran diffus ou une surface uniformément éclairée tendue devant l'instrument comme on le voit à gauche.

Le but de cette image FFF est d'enregistrer tous les défauts "mécaniques" pouvant modifier la distribution uniforme du faisceau lumineux entrant dans le système optique comme le vignettage (l'obstruction de faisceau incident par des parties de l'instrument), les ombres produites par les poussières sur les surfaces proches du capteur (filtre, etc.) et d'autres variables comme les différences de sensibilité à la lumière des pixels qui modifient l'efficacité quantique du capteur CCD.

Ensuite, après avoir soustrait l'image noire de l'image brute (light frame), le résultat doit être divisé par l'image de champ plat (certains se contentent de la soustraire mais ce n'est pas exactement la même chose. Cf. cette explication en anglais sur les additions, soustractions et autres opérations logiques).

CALIBREE = (BRUTE - NOIRE) / PLAT

ou CALIBREE = (BRUTE - THERMIQUE) / PLAT, avec THERMIQUE = (NOIRE - OFFSET)

Image noire (Dark frame)

Image de champ plat (Flat-field)

Image d'offset (Bias frame)

Ci-dessus, les trois images de calibration servant à éliminer les défauts du système de prise de vue. Ci-dessous, la galaxie M31 photographiée avec une lunette Orion ST-80 ED sans CCD autoguide équipée d'un APN Canon EOS 6D de 20 Mpixels et fixée sur une monture iOptron SmartEQ Pro. A gauche, l'une des 38 photos brutes couleur exposée 30 s chacune à 1200 ISO en lumière blanche. Au centre, l'ensemble des images calibrées (38 Brute, 15 Noire, 20 Offset, 12 Champ plat) et empilées dans le logiciel Canon Digital Photo Professional. A droite, l'image finale (temps d'intégration total de 19 minutes) après traitement d'image (rectification du gamma et correction des couleurs des canaux LRGB, puis égalisation et masque flou pour faire ressortir les couleurs, le noyau et les bras de poussière.

Image brute (Light)

Après prétraitement (calibration)

Résultat après traitement d'image

- L'image d'offset ou "biais frame" est également appelée l'image de précharge. On crée cette image en réalisant une photographie obturateur fermé à la vitesse maximale que permet la caméra CCD (un temps aussi court que possible et en théorie de longueur 0). Il convient d'en refaire une chaque fois qu'on réalise une image noire.

Cette image est relativement constante sur de longues périodes de temps, raison pour laquelle certains amateurs ne la réalisent pas mais elle contient malgré un bruit de lecture (readout noise) généré par l'électronique du capteur.

Ensuite, cette image d'offset doit être soustraire de l'image noire. Après soustraction, l'image résultante est l'image thermique qui sera soustraite de l'image brute (light frame). Finalement, le résultat est divisé par l'image de champ plat.

Après ces opérations, le résultat est ce qu'on appelle une image calibrée corrigée pour toutes les irrégularités et bruits présents dans l'image. Cette étape peut toutefois affecter la qualité pictographique du résultat car l'image calibrée contient également du bruit aléatoire qui lui est propre. Aussi, à des fins photométriques ou si vous recherchez la plus haute résolution, vous pouvez également additionner plusieurs images noires et de champs plats qui seront ensuite moyennées et supprimées des images brutes pour obtenir de meilleurs résultats. Cette étape ne peut pas être écartée car c'est d'elle que dépend la qualités ultérieure de l'image finale.

A lire : Traitement d'images APN avec PixInsight, Arnaud Dominique

Prétraitement d'image avec PixInsight, Louis Joly

Le traitement d'image ou post-processing

Une fois en possession de la ou des précieuses images calibrées (prétraitées), vous pouvez passer à la dernière étape qui consiste au traitement d'image proprement dit. Cela consiste à tirer profit de fonctions numériques dont les actions sont identiques à celles qu'on utilisait jadis en chambre noire telle que l'empilement, le compositage, le masque flou ou la modification du gamma pour faire ressortir les hautes fréquences spatiales et accroître les détails à la fois dans les zones brillantes et les zones sombres.

A acheter : Anti-Blooming Filter Software, by Kazuyuki Tanaka

M45

Chris Vaughn, AA6G

B33, la Tête de cheval

Okano Kunihiko

M57

Michel Peyro

L'empilement d'images

La technique de l'empilement ou "stacking" d'images est utile lorsque la qualité de l'image obtenue par la caméra CCD (même refroidie) ne vous convient pas en raison de son manque de contraste, du bruit trop apparent ou de son aspect flou. Dans ces cas très fréquents, il reste la possibilité d'extraire les meilleures images individuelles (frames) d'une séquence de quelques centaines d'images ou d'une courte séquence vidéo et de les empiler (additionner). Certaines caméras CCD (par ex. ZWO) sont capables d'enregistrer des images jusqu'à 164 fps. Cet empilement d'images individuelles va augmenter le rapport signal/bruit et donc la définition et se répercuter sur la qualité de l'image résultante comme on le voit ci-dessous.

Si en photographie du ciel profond on se limite en général à additionner une poignée d'images individuelles (entre 3 et 5 avec un maximum d'une centaine d'images LRGB à longues poses pour les plus courageux), en photographie planétaire à haute résolution, de bons résultats exigent souvent l'empilement (et le compositage pour les sujets très vastes) d'un grand nombre d'images, parfois dépassant 1000 images individuelles.

A lire : Astronomie Planétaire, s/dir C.Pellier, Axilone, 2015

A gauche, arrêt sur l'écran d'un ordinateur montrant une séquence d'acquisition de Saturne avec une webcam Vesta Pro connectée à un PC portable (CPU 400 MHz, RAM 256 MB) utilisant le logiciel Astro-Snap. Une fois le film réalisé il est traité numériquement dans un logiciel de traitement d'image tel Registax, IRIS et éventuellement Photoshop pour optimiser l'image. A droite, image brute de Saturne extraite d'un film au format AVI réalisé par Thierry Lambert avec une webcam Philips Vesta Pro fixée sur un télescope de Newton Intes de 130 mm f/5.5 équipé d'un oculaire de 6.4 mm. L'image de droite est le résultat obtenu après traitement numérique et empilement de 586 images sous IRIS. La réduction du bruit et l'augmentation du contraste sont spectaculaires ! Notez que la soi-disant division de Encke mesurant moins de 0.1" qui semble visible à l'extérieur de l'Anneau A ainsi que les arcs dans l'Anneau B sont des artefacts du traitement d'image car cette division n'est visible que dans des télescopes d'au moins 280 mm de diamètre (par ex. C11). Cf. l'article sur les anneaux de Saturne et la division de Encke.

Cet empilement de multiples images permet également de noyer les légers déplacements dûs à la turbulence. Ceci est encore plus vrai en couleurs. En effet, à l'instar de la réalisation d'un compositage LRGB, il importe peu que les images des canaux RGB soient un peu floues ou décalées (le moins possible bien sûr et c'est la raison pour laquelle on utilise des points de référence dans chaque image à combiner) car c'est avant tout l'image de luminance qui donnera son contraste au résultat final, les images RGB ne venant que réduire le bruit électronique et uniformiser la turbulence.

En travaillant par exemple à 60 fps, en une minute on peut enregistrer une vidéo HD 1080p comprenant 3600 images individuelles. La vidéo étant directement disponible sous format électronique, on peut facilement extraire et traiter individuellement les meilleures images du film puis les additionner pour augmenter le rapport signal/bruit et la dynamique de l'image (la richesse des couleurs et des détails) comme on le voit très bien sur les documents présentés ci-dessus réalisés avec une webcam Philips Vesta Pro (659x494 pixels de 5.6 microns supportant des enregistrements couleurs entre 5 et 30 fps).

Parmi les logiciels supportant l'empilement de milliers d'images, citons Registax de Cor Berrevoets, DeepSkyStacker de Luc Coiffier, PixInsight de Pleiades Astrophoto, IRIS de Christian Buil, Avistack de Michael Theusner, Astrostack et HDRinstant de HDRlog. Grâce à ces logiciels, il est assez aisé de convertir des séquences filmées d'un objet en une seule image résultant de la combinaison de quelques centaines à quelques milliers d'images individuelles extraites des meilleures séquences vidéos.

En d'autres termes, si nous prenons un petit télescope catadioptrique de 127 mm d'ouverture offrant une résolution théorique de 1.1", là où une image individuelle peu contrastée et bruitée atteint difficilement une résolution photographique de 10" en projection oculaire, la combinaison de 1500 images réalisées dans de bonnes conditions offrira une résolution photographique voisine de 0.5", soit 22 fois supérieure à une image brute. Le résultat est bluffant ! Nous reviendrons sur le sujet dans d'autres chapitres, notamment lorsque nous discuterons du rapport signal/bruit et de la photographie de Mars durant les oppositions périhéliques.

A voir : Saturne avant et après traitement

Canon ESO 450D sur Celestron NexStar 5 SE XLT

A télécharger : HDRinstant, logiciel de HDRlog

A gauche, Jupiter et Io en transit photographiés le 6 février 2003 par Jacques-André Regnier au foyer d'un Celestron NexStar 5" (127mm) équipé d'une Barlow Ultima 2x et d'une webcam Philips Vesta Pro. A droite, une image de Mars réalisée par Sean Walker le 16 août 2003 (24.5") au foyer d'un Celestron C9.25" Maksutov muni d'une Barlow 5x. L'image résulte de l'empilement des 900 meilleures images vidéos capturées avec une webcam Philips ToUcam Pro. Sur ces documents, la résolution photographie est deux fois supérieure à la résolution visuelle de ces télescopes en raison de l'addition des images !

Autres fonctions du traitement d'image

Lorsque l'image définitive est prête, on peut accentuer les détails dans les zones brillantes par exemple avec un filtre passe-haut, à savoir un algorithme de Lucy-Richardson ou Van Cittert par exemple (cf. le traitement d'images de photos d'éclipses totales de Soleil) tandis que les fonctions d'Entropie Maximale et de Convolution seront très utiles pour faire ressortir les détails des objets pâles qui présentent un faible rapport signal/bruit. Enfin, l'algorithme de Wiener donne de très bons résultats sur tous les objets du ciel profond en augmentant la définition de l'image. Un autre truc est la restauration de l'image afin d'augmenter la netteté de l'image CCD originale.

Enfin, et c'est surtout valable en photographie planétaire, vous pouvez extraire l'objet de son arrière-plan de toutes les images. A présent vous pouvez recentrer le sujet, enregistrer les points de référence de chacune image (des zones caractéristiques bien identifiables) afin de pouvoir les combiner pixel par pixel et créer une image composite (juxtaposition d'images en haute résolution d'un objet trop étendu pour tenir sur une seule image). Vous pouvez également animer vos images individuelles ou effectuer une réduction astrométrique.

Ceci dit, le traitement d'image comprend des dizaines de fonctions et peut finalement devenir complexe. Mais pas à pas chacun peut heureusement maîtriser ces techniques. Nous décrirons certaines d'entre elles dans les articles Digital Darkroom et Composites by Examples écrits en anglais, notamment la création d'un masque flou, les compositages RGB et LRGB et des concepts comme la différence entre une soustraction et une division numériques.

To watch : Astrophotography Tutorials

Creating my Image of the Andromeda Galaxy, David Woods

A lire : Les bases de l'imagerie digitale, Denis Bergeron

Images RGB et LRGB

Lorsque les amateurs parlent d'image LRGB, en théorique ils pensent à un traitement plus sophistiqué que la simple addition de quatre images monochromes, 1 N/B + 1 R + 1 G + 1 B. Si l'on fait bien les choses, pour augmenter le rapport signal/bruit, réduire la turbulence et les autres défauts, les images RGB doivent être combinées à partir de quelques dizaines d'images monochromes. Le nombre n'est pas important, et dans certains cas une seule image RGB suffit. Mais habituellement la plupart des amateurs préfèrent additionner plusieurs images RGB pour ne pas subir les déformations induites par la turbulence sur une seule image (1R+1G+1B). 

Ensuite cette image RGB est combinée avec une image de luminance. Cette dernière apporte le contraste au compositage RGB, sans laquelle l'image résultante paraît correcte mais elle manque de profondeur, de netteté.

Image LRGB de Mars prise le 23 août 2003 par Jacques-André Regnier avec un Celestron Nexstar 5 (127mm f/58) équipé d'une  Powermate 5x et d'une webcam Philips Vesta Pro. Cette image résulte de l'addition de 800 images RGB et de 800 images N/B (L).

L'image de luminance devrait être obtenue en combinant entre quelques dizaines et plusieurs centaines d'images N/B individuelles. C'est particulièrement important lorsqu'on photographie des surfaces très détaillées comme les planètes (Mars, Jupiter, Saturne et dans une moindre mesure le croissant de Vénus ou de Mercure).

L'image finale résulte de la combinaison de toutes ces images individuelles prétraitées et calibrées.

La plupart des logiciels fournis avec les caméras CCD permettent de réaliser toutes les fonctions précitées jusqu'à la création de l'image calibrée mais peu comprennent des fonctions avancées de traitement d'image. Etant donné que ce dernier nécessite une grande latitude de manoeuvres et assez bien d'expérience, il est recommandé d'acquérir tout d'abord un logiciel gratuit et une fois que vous aurez maîtrisé ses fonctions, de passer éventuellement à un produit plus performant comme Adobe Lightroom, Photoshop ou MaxIm DL parmi d'autres. 

Ainsi que nous le verrons dans la revue des logiciels de traitement d'image rédigée en anglais, certains parmi ces produits sont chers mais ils ont le mérite d'être puissants et relativement facile à utiliser, ils sont compatibles avec de nombreux formats d'images et très complets. De plus, il existe une communauté d'utilisateurs prêts à vous dépanner en cas de soucis (via les réseaux sociaux et les forums notamment).

Un dernier conseil. Si vous ne maîtrisez pas les techniques de traitement d'image, un moyen simple d'aborder le sujet sans devoir vous plonger dans un livre parfois austère et peu pratique, est de vous faire conseiller par un amateur éclairé - les liens sont légions sur ce site web - qui vous indiquera la procédure à suivre pour traiter une image en quelques étapes. Il existe également de nombreux tutoriels sur YouTube et des amateurs prêts à vous aider sur les forums.

En conclusion, si la caméra CCD ou l'APN et le télescope permettent d'enregistrer l'image, c'est encore le travail de traitement d'image après la séance de prises de vues qui va révéler le savoir-faire de l'amateur. Les documents présentés ici et en sont de très belles illustrations.

A vous maintenant de jouer !

Terminons ce descriptif par la revue des caméras CCD utilisées par les astronomes professionnels complétée par une liste de liens utiles.

Dernier chapitre

Les CCD professionnelles

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