L'IMAGERIE COULEUR DE MARS |
Article originellement rédigé pour la Commission des observations planétaires de la Société astronomique de France
L’objectif de cette analyse est de passer en revue différentes manières de réaliser une image couleur de Mars parmi les plus courantes. Il s’agit de déterminer quelle est la meilleure façon d’envisager l’imagerie couleur de Mars, sous l’angle de l’objectif de la commission des observations planétaires de la SAF, qui est le suivi de l’activité observable sur les planètes et l’exploitation des documents reçus. Autrement dit, quel traitement est le plus à même de favoriser une meilleure qualité de l’information contenue sur les images ?
Le point de vue que l’on cherche à défendre ici, c’est que le meilleur compositage en image couleur est le RVB (ou image trichrome Rouge, Vert, Bleu) ; le RVB semble supérieur quel que soit l’angle envisagé. Cet article est donc aussi une critique de la méthode LRVB.
Rappelons les informations qui sont censées être révélées sur Mars selon les couleurs :
Rouge : dans le rouge se montrent les détails de la surface, taches d’albedo, déserts oranges, calotte polaires. De même les tempêtes de poussière sont habituellement plus brillantes dans le rouge.
Bleu : dans le bleu se trouve la plupart de l’information qui concerne l’atmosphère de Mars (vapeur d’eau – nuages blancs).
Vert : on dit souvent que le vert ne contient pas d’information utile en ce qui concerne Mars. On peut dire à présent que ce jugement est erroné. Le vert d’une part, dans la mesure où il montre les détails de la surface aussi, contient donc une partie de l’information formant la couleur et la forme de ces détails. D’autre part, si les tempêtes de poussière se voient mieux dans le rouge, il apparaît que le vert est mieux à même de révéler la présence de poussières dans l’atmosphère, organisées en brumes, et non constituées en tempêtes, car le filtre rouge pénètre facilement ce type d’activité.
Remarque de base : dans le visible, l’information qui forme un détail est forcément répartie dans les trois couleurs. Par exemple, et en prenant des pourcentages un peu arbitraires, une tempête de poussière sera formée à 50% de rouge (le cœur du nuage), 40% de vert (les extensions diffuses au-delà du nuage principal, petits nuages plus fins), 10% de bleu (idem + présence éventuelle de vapeur d’eau dans la tempête).
Restituer l’information de manière correcte suppose donc de combiner les trois couleurs dans leur importance respective. La technique LRVB n’apparaît pas, de ce point de vue, satisfaisante :
1) Mettre en luminance une image R ou bien IR (infrarouge) aboutit logiquement soit à changer la répartition de l’information en fonction de la couleur (augmentation de la part réservée au rouge), soit à carrément supprimer les détails délicats appartenant au vert et au bleu (comme les nuages blancs).
2) La technique du vrai LRVB (c'est-à-dire où l’image en luminance est constituée de l’ensemble du visible et non d’une seule couleur), donnerait de meilleurs résultats, mais elle est réservée à la CCD (ou bien il faut une deuxième webcam à capteur noir et blanc) et selon l’inventeur de la technique K. Okano, elle reste mal adaptée à la restitution des détails du bleu.
Considérons les différents traitements ci-dessous à partir d’images prises le 1er août 2003 :
RVB : une image réalisée en trichromie avec filtres RVB et une webcam à capteur NB.
RRVB : l’image réalisée à travers le filtre rouge est mise en luminance sur le RVB non traité.
IRVB : une image prise avec un filtre infrarouge (IR) est en luminance (en digression, il faut remarquer que si le contraste des taches sombres est un peu plus élevé, la résolution de l’image est nettement inférieure dans ces longueurs d’onde ! Cette remaruque sera moins importante pour un instrument de plus grand diamètre).
R(V)B : le RVB est construit avec une image V synthétique, moyenne du R et du B.
Voici les avantages du RVB sur les trois autres types de compositage :
1) Les couleurs
Si les couleurs d’un point de vue général peuvent être dites assez bonnes dans les 4 cas, un examen plus minutieux révèlent des différences. D’abord les images LRVB changent considérablement la couleur des taches sombres. Ceci est du au fait que le LRVB ne fait que coloriser une image qui est en niveaux de gris, il n’assemble pas les couleurs. Ensuite certaines nuances de couleur sont perdues dans les trois derniers traitements. Le plus flagrant est la belle couleur jaune du bassin de Hellas dans le RVB, que l’on ne retrouve pas dans les autres images. Ce qui montre aussi que l’image V synthétique de la dernière image n’est pas équivalente à une véritable image verte. D’une manière générale, tous les détails un peu rougeâtres apparaissent plutôt gris-rose dans le LRVB.
2) Les détails de l’atmosphère
Plus préoccupant, les détails de l’atmosphère sont au mieux minimisés et au pire perdus dans le LRVB par rapport au RVB. L’image RVB ci-dessus révèle (ici, l’image R(V)B le montre aussi) la présence d’une brume blanche très subtile dans l’hémisphère nord de la planète (bien au-delà, vers le sud, du brillant voile polaire nord). Ce léger voile est bien sûr complètement écrasé si on met une image R, ou pire IR, en luminance. Le voile polaire lui-même est minimisé par le LRVB. Ensuite, il faut savoir que l’atmosphère de la planète est en juillet-août 2003 saturée par un mélange de poussières et de vapeur d’eau, ce qui donne une brume jaune ou grise jaune que l’on peut observer sur l’image RVB ci-dessus au soir martien (terminateur), masquant assez bien les détails de la surface. Il est de la plus haute importance que les images montrent ce voile ; il signifie en effet que l’atmosphère martienne devient plus opaque, qu’elle se réchauffe, et que donc la probabilité de voir des tempêtes de poussières se déclencher augmente. Ce voile se voit surtout dans l’image verte (non montrée ici), donc encore une fois les LRVB manquent de le montrer clairement (par exemple, dans l’image RRVB, l’obscurcissement à gauche est plus l’effet de phase présent sur l’image R que celui de la présence de la brume). Quant à l’image IRVB, dans la mesure où l’IR a une grande faculté de pénétration de l’atmosphère, y compris en cas de tempête de poussière, elle ne montre rien de tout cela, à part le voile polaire nord, et encore uniquement grâce à l'image de chrominance.
Retour sur ce que signifie faire une image CCD
J'aimerais citer ici, à l'appui de cette démonstration, un observateur reconnu de la planète Mars, le Directeur de la section Mars de l'Association astronomique orientale (OAA) Masatsugu Minami, sur l'effet des traitements RRVB en 2001 au moment de l'expansion des tempêtes de poussières de cette année-là :
"Beaucoup d'images RVB ou LRVB ont été produites depuis le début de la tempête de poussières, alors que dans le même temps on rencontre rarement des images susceptibles de reproduire de façon réaliste le "jaune" intrinsèque du nuage de poussières en expansion. Surtout, nous avons été surpris du fait que certaines images LRVB continuent de montrer des images avec des taches d'albedo "normales" en dépit de l'incontestable expansion du nuage de poussières qui recouvre de façon globale ces mêmes surfaces. (...) L'obscurcissement est une question de degré, mais si nous devons discuter de la façon dont va évoluer la tempête, il faut faire très attention à l'obscurcissement subtil du à l'expansion du nuage de poussière jaunâtre, sans trop dépendre de l'habilité de l'infrarouge à pénétrer l'atmosphère. L'image LRVB est quelques fois très intéressante, mais, comme beaucoup le savent, cela n'a pas été vraiment établi jusqu'ici pour les images de Mars, et il nous faut nous abstenir de toute conclusion concernant l'atmosphère de la planète à partir uniquement d'images LRVB" (Masatsugu Minami, 13 juillet 2001, Director's Report n°10).
Ces propos de M. Minami résument parfaitement le problème que peut poser un traitement LRVB d'une image de Mars à quiconque tente de tirer des enseignements à partir d'une telle image. En transformant la répartition de l'information, l'image LRVB peut parfaitement rater le principal... A ce point de la discussion, il est peut-être nécessaire de revenir sur ce que signifie l'imagerie numérique, sur ce à quoi elle sert. La principale affirmation habituelle ici est que l'image CCD doit "révéler plus de détails que l'oeil", qu'elle est un excellent moyen de produire plus d'information. Cette affirmation en tant que telle est exacte, mais les modalités de son application sont de temps en temps reprises sans prudence.
Il serait déjà possible de dire que le but de l'imagerie CCD n'est pas uniquement de montrer plus de détails ; il est aussi d'arriver à reproduire des détails ou de l'information que l'oeil perçoit déjà, pour prouver qu'ils existent bien et pour réaliser un document qui soit plus apte à l'analyse qu'un dessin ou qu'un compte rendu d'observation visuelle. Mais l'information ici reproduite n'est pas forcément subtile ou inaccessible à l'oeil.
Ensuite, tout observateur qui pratique la CCD ou la webcam sait d'instinct qu'il a à sa disposition pléthore de traitements d'image différents et plus ou moins complexes. On se préoccupe rarement toutefois de savoir quels sont les effets concrets d'un traitement sur les images. En l'absence d'un minimum de réflexion à ce sujet ceci peut très prosaïquement aboutir à la suppression de détails bien réels. Quand l'imagerie numérique devient le meilleur moyen de perdre de l'information... On dit souvent que l'avantage de la CCD sur le visuel est d'être objectif, mais il suffit de regarder comment l'aspect de Mars varie sur mes propres images par exemple pour s'aperçevoir qu'en réalité on est loin du compte !
Ce que ces arguments impliquent, c'est que s'agissant de Mars, il est peut-être plus important de traiter correctement son image que de faire en sorte d'obtenir une image avec une excellente résolution (je ne dirais pas la même chose des images de Saturne et Jupiter). Observer Mars signifie suivre l'évolution de la planète en fonction des saisons, attendu que les saisons martiennes sont le seul et unique facteur de changement. Saison, sur Mars, renvoit presque uniquement aux évolutions de l'atmosphère, avec les calottes polaires, puisque la surface est géologiquement "morte" (du moins vue dans un télescope). Des traitements "à la hache" style RRVB ne sont pas les plus judicieux, et il est aussi important de ne pas se désintéresser des couleurs qui vont permettre de reproduire la plupart des détails de l'atmosphère : le vert et le bleu. On préfèrera une image modérément détaillée mais correctement traitée, à une image à très haute résolution - de la surface - mais qui ne montre pas l'atmosphère. Cette dernière peut parfois présenter des phénomènes très subtils mais très importants, qui seront définitivement perdus si on n'apporte pas un minimum de soin au traitement d'image.
Montrer Mars telle qu'elle est ?
Pour moi l'enjeu le plus fondamental et le plus exigeant concernant les images de Mars, est de réussir à montrer la planète "telle qu'elle est", c'est à dire, une image qui donne l'impression de voir la planète et non pas une image de la planète. De telles images existent, si on ne prétend pas atteindre une perfection par définition dépourvue de sens tant qu'il y aura une atmosphère au-dessus de nos têtes ;-). C'est peut être le seul moyen de produire une image digne de confiance (si on veut être vraiment exigeant). Une autre citation de M. Minami du mois de juillet 2001 (toujours au sujet des tempêtes de poussières de cette année-là) peut être intéressante ici pour montrer combien il est important de ne pas dénaturer l'information :
"Nous pensons que la tempête de poussière ne doit pas être observée avec des filtres étroits. La distribution de la poussière n'est pas nécessairement faite de parties brillantes, et si on peut l'observer avec un filtre rouge, il est plus facile de le faire en lumière intégrée. Une image rouge ou infrarouge pourra faire réapparaître les taches sombres obscurcies, mais l'ampleur de la tempête sera mieux évaluée en visuel. Nous devons au moins affirmer que ce superbe disque avec des nuages jaunes brillants doit être observé en visuel" (Masatsugu Minami, 6 juillet 2001, Director's Report n°8)
Ce que M. Minami essaye d'expliquer c'est que pour percevoir la tempête dans toute son envergure et sa beauté, il est nécessaire de ne pas sélectionner l'information - en CCD un filtre R ou IR va pénétrer les parties de l'atmosphère qui sont saturées de poussières (mais sans tempêtes constituées) ; en conséquence de telles images vont rater une partie du phénomène. C'est en ce sens qu'il faut comprendre la référence aux "filtres étroits" : les filtres utilisés en CCD sont généralement des filtres qui sélectionnent fortement les longueurs d'onde ; ce qui fait qu'il y a une partie de l'information qui n'est pas reproduite. En visuel, on assiste à la totalité de la scène, toute l'info peut être potentiellement perçue. De même le Directeur a rajouté à une autre occasion qu'aucune image CCD n'était capable selon lui de rendre la couleur bien particulière d'une Mars complètement recouverte par le voile de poussières. Voilà également un élément de réflexion sur l'utilité de l'observation visuelle : rendre compte de la totalité de l'apparence d'une planète à un moment donné.
Ce jugement peut être cependant de manière paradoxale un argument favorable à la réalisation d'images CCD "réalistes" de Mars : un traitement soigné de l'information sera le meilleur moyen de s'approcher de l'image "idéale".
Note supplémentaire sur le traitement R(V)B
Un autre traitement à partir d’images du 23 juillet 2003 confirme l’intérêt que peut avoir une véritable image verte :
Le traitement RVB à gauche montre la présence de la brume jaune dont on parlait plus haut, s’étendant en haut à droite au-dessus de Noachis. L’image de droite réalisée avec une image verte synthétique échoue à révéler cette brume : l’information qui la compose n’existe en effet que dans l’image verte originale, et il est donc impossible de la reconstituer avec les images R et B.
Utilisation de la webcam à capteur couleur dans cette optique
Ces images sont faites avec une webcam à capteur NB et des filtres, et on pourrait penser que la méthode permet d’obtenir des résultats bien différents de ceux obtenus avec une webcam « normale ». C’est loin d’être vrai, et tous les détails dont on a parlé peuvent être rendus avec cette dernière ; RVB peut en effet désigner l’image couleur obtenue avec la webcam classique. La meilleure façon ici de restituer l’information est donc d’utiliser la webcam avec un simple filtre anti-IR.
Recommandations pour la présentation des images
Alors que les observateurs peuvent souhaiter faire d’autres types de traitements pour des raisons autre que la qualité de l’information restituée (esthétisme…), les images reçues par la Commission devraient montrer au moins, ou en plus, le traitement RVB ainsi que les couleurs séparées en noir et blanc (les longueurs d’onde au-delà du visible aussi).
Note : les planches complètes d’images qui ont servi pour cet article sont disponibles dans les pages Mars de la SAF ou bien en taille réelle aux liens suivants :
1er août 2003 :
http://astrosurf.com/pellier/M030801-CPE
23 Juillet 2003 :