LA TECHNIQUE CCD

LE TRAITEMENT DU SIGNAL

Un petit retour en arrière

Nous avons vu precedement les différents types d'images a faire: 1 image de l'objet ( c'est essentiel) typiquement de quelques minutes 1 dark pour retirer le bruit thermique du même temps que l'image 1 flat ou PLU en francais pour gommer les défauts de luminosité avec une dynamique de 30 à 50% et un temps de pose court 1 offset pour éliminer le signal mis d'office sur l'image avec le temps le plus court possible Mais avec tout ça, il faut faire quelque chose : c'est les traiter pour en tirer le meilleur parti.

Le prétraitement

Le prétraitement est le fait d'appliquer les images de flat, dark et offset sur chaque image de l'objet avant de les sommer en les réalignant.

Image prétraitée = (Objet - Dark objet -Offset) / (Flat - Dark flat - Offset)

En pratique l'image de flat est faite sur un temps très court et il y a très peu de bruit thermique, on ne fait donc pas de dark du flat.

Une fois cette petite formule appliquée, les images sont prétraitées. Rassurez vous, cette opérations se fait automatiquement avec beaucoup de logiciels. Personnellement j'utilise Deep Sky Stacker qui est puissant, rapide et qui plus est en francais pour ceux qui ont du mal avec l'anglais

Le rapport signal sur bruit

En astronomie, les objets que nous imageons sont par définition faibles. Ils ont donc un signal faible. Le bruit étant constant pour l'imageur, le rapport signal sur bruit d'une image est donc faible. L'image est "grumeleuse".

Voici une portion d'image prise avec une caméra CCD SBIG ST2000 sur les dentelles du cygne. On voit clairement que les dentelles a proprement dites ne sont pas "propres", elles sont bruitées. Le rapport signal sur bruit est faible.

En astronomie, pour augmenter le rapport signal sur bruit de l'image, il existe 2 techniques. La première est de poser très longtemps pour augmenter le signal. Le défaut de cette technique est que l'on peut voir apparaîtres des traces d'avion, de satellites, ... sans compter sur une image de bruit thermique qui est longue a faire. Elle est donc peu utilisée. La technique que l'on utilise est de multiplier le nombre d'images de l'objet.Le signal est constant alors que le bruit est aléatoire.La somme des images fait donc monter plus vite le signal que le bruit. Sachez toutefois qu'il est aussi important de faire un grand nombre de darks, d'offsets et de PLU pour avoir une image la plus lisse possible. Inutile de faire 100 images car l'augmentation du rapport signal sur bruit n'est pas linéaire. En règle générale, les amateurs font de 10 à 30 images pour chaque types ( PLU, Dark, Image, Offset)

Ci contre la même image des dentelles du cygne mais cette fois ci, 12 images ont été additionnées. La différence est spectaculiare alors sommez un grand nombre d'images.

L'addition

Avant : l'alignement

Voilà, les images sont prétraitées avec les offsets, les darks et les flats. Il ne reste plus qu'à les additionner. Oui mais si on les additionne tels quelles, il risque d'y avoir un déclage entre chaque image. Avant de les additionner il faut donc les aligner en x et y mais aussi en rotation. Ces décalages viennent des défauts de guidage et de mise en sattion. Les logiciels d'astronomie sont capables de faire cet alignement à une fraction de pixel près.

Différentes additions !

Contrairement a c qu'on nous apprend a l'écoleil y a plusieurs manières d'additionner ses images. Choisir le bon type d'addition permet d'optimiser son traitement.

La somme : C'est le plus classique. Prenons un exemple avec 1 pixel et 7 images. Regardons le niveau du pixel pour chaque image : {1,2,2,2,2,3,9} Le pixel prend donc alternativement les valeurs 1 puis 2 puis 2, puis ... La somme ( 1+2+2+2+...) nous donne une valeur de 21.  Ce type d'addition présente 2 défauts, on intègre les niveaux abérrants ( ici le 9) et on peut se retrouver avec un dépassement de dynamique. si votre logiciel ne gère pas plus de 20 niveaux, la somme valant 21, une partie de l'information est perdue. Je vous déconseil ce type d'addition. La moyenne : Reprenons notre pixel : {1,2,2,2,2,3,9}, la moyenne nous donne 3 ( (1+2+2+2+....)/7). Là c'est mieux, on ne peut pas dépasser la dynamique de l'image par contre le pixel abérrant reste intégré lors du calcul. La médiane : La médiane nous donne une valeur de 2. Pour la calculer, on élimine petit à petits les pixels ayant les plus faibles niveaux et les plus élévés pour ne garder que le pixel "central". On a donc calculé la valeur du pixel au mieux. Les pixels abérrants sont éliminés et on ne peut pas dépasser la dynamique de l'image. Utilisez cette technique pour additionner vos FLATS, DARKS et OFFSETS. Le Kappa Sigma Clipping : Cette technique écarte les pixels abérrants mais de manière plus fine que la médiane. On utilise 2 paramètres pour cette addition : le premier est le nombre d'itérations et le second kappa qui est le coefficient multiplicateur de l'écart type ( l'écart moyen des pixels par rapport à la moyenne).

Ci contre un graphique pour que vous vous représentiez ce que représente le sigma ( l'écart type). C'est la barre bleue qui représente la dispertion des valeurs. La barre verticale rouge représente la moyenne.

A chaque itération on calcul la moyenne et le sigma, puis on rejette les pixels qui sécartent de plus de kappa*sigma de cette valeur. On recommence le calcul avec les points qui restent et on refait la même réjection.

Je vous conseil cette technique pour vos images brutes de l'objet.

La moyenne pondérée par l'entropie : La méthode de calcul est complexe mais le but de cette technique est de garder le maximum de dynamique dans l'image additionnée. Utilisez cette technique si vous combinez des images avec des temps de pose différents. Vous ne saturerez pas le coeur des galaxies ou les nébuleuses a fort contraste.

Gardez à l'esprit qu'un bon prétraitement donnera de meilleures images qu'un prétraitement fait à la va vite.

Le traitement

Le prétraitement est fait avec les darks, les flats et les offsets, on a aligné les images et on a sommé l'ensemble : il ne reste plus que le côté cosmétique à renforcer.

Esthétique

Pour le côté esthétique, on va jouer sur les courbes de la visualisation de l'image. On peut par exemple utiliser une fonction logarithme qui va rendre plus apparent les détails de la nébuleuse. On peut égaliser l'histogramme pour "dilater" les hautes et les basses lumières. On peut jouer sur la luminosité, le contraste et la colorimétrie pour améliorer l'esthétique. Iris utilise une fonction très puissante appelée DDP ( a utiliser avec précaution) qui permet de pousser les détails dans les hautes luminosités.La précaution est de ne pas trop pousser le traitement pour ne pas ajouter des artefacts dans l'image. Les logiciels tels que photoshop permettent de travailler sur des calques qui donnent une grande souplesse et de travailler sur des zones spécifiques en fonction du traitement. Allez voir le site de Nicolas Outters rubrique technique pour plus de détails sur les traitements avec Photoshop.

Ci dessus : 2 image qui sont a l'origine identiques. La première est celle issue du prétraitement et la seconde a bénéficié de traitements esthétiques pour améliorer les détails de la nébulseuse. La différence est flagrante.

Les filtres

Regardons d'abord le principe de fonctionnement des filtres que nous pouvons utiliser ( gaussien, accentuation, ...). Prenons une grille de pixels dans laquelle nous avons entré la valeur de chaque pixel en fonction de sa position. Comme sur un capteur CCD.

1 5 2 6 9 0 1 5 0 1 7 5 7 2 3 2 4 6 6 8 9 4 3 7 5 4 3 2 5 6 1 2 3 5 5 6

Prenons un filtre 3*3 c'est à dire qu'il va effectuer les calculs sur une zone de 3*3 pixels ( ce sont les cases blanches). On attribue un "poids" à chaque case. Ce poids est en fait un facteur multiplicatif. Prenons par exemple :

2 2 2 2 4 2 2 2 2

2*1 2*5 2*2 2*1 4*5 2*0 2*7 2*2 2*3

Ce qui nous donne donc pour chaque pixel :

On calcul alors la valeur du pixel central qui est égale à la somme des valeurs des pixels multiplié par le poids divisé par la somme des poids. Une foisce cacul fait, on déplace la grille de calcul de 1 pixel et ce jusqu'à ce qu'on ai parcouru toute la grille.

Le filtre passe bas et/ou gaussien : il permet de lisser le bruit mais il lisse également l'information. 1 2 1 2 4 2 1 2 1 Le filtre passe haut et/ou accentuation : il permet de réhausser les détails masi aussi le bruit. -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 Convolution et déconvolution : il permet d'allonger ou de rétrécir les étoiles dans une direction ce qui "corrige" des erreurs de suivi. 10 0 10 10 0 10 10 0 10

Nous avons vu le filtre 3*3 masi ils existent également en 5*5 4*4, .... Les explications qui viennet d'être donné sont dans le domaine spatial masi il peut également s'appliquer dans le domaine fréquentiel. Lemilieu fréquentiel permet d'être très sélectif et peut par exemple diminuer un effet de trame sur une image.

Faites vos propres essais pour vos images, ceci prend du temps masi gardez a l'esprit qu'un bon traitement ne se voit pas.

En résumé

Le traitement des images se fait en 3 étapes qui sont différentes : Le prétraitement avec le bon type d'addition et un nombre suffisant d'images FLATS, OFFSETS, DARKS et OBJET. 5 images est un minimum Le traitement qui harmonise les lumières en agissant sur les niveaux et les courbes de l'image Les traitements qui lissent là ou il y en a besoin et qui réhaussent les détails là où il y a de la lumière.