Acquisition des images servant au prétraitement

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Acquisition des images servant au prétraitement

En imagerie CCD, il est nécessaire d'acquérir des images servant à corriger les parasites, tel que le bruit thermique, provenant de la caméra lors de prise de photos longues pose. Aussi ces images peuvent corriger les problèmes de vignetage dû à l'optique utilisée. Ces images seront enlevées des images de l'objet du ciel profond pour éliminer ces défauts à l'image résultante. Il y a trois types d'images à acquérir :

L'image de précharge (Offset ou Bias)
Le Noir (Dark)
La plage de lumière uniforme (PLU ou flat field)

Pour acquérir les images de prétraitement, il est conseillé d'utiliser le logiciel venant avec la caméra CCD. La plupart du temps, le format de fichier est .fit. Pour prendre les images de prétraitement, le logiciel prend les images en mode RAW noir et blanc pour les caméras CCD couleur (certains appareils photo numériques fournissent aussi des images en mode RAW). Même si l'image apparaît en noir et blanc, ce mode conserve les couleurs. Concernant la technique LRVB toutes les images sont prises en monochrome au format FIT. On fera de même lors de l'acquisition des images de l'objet du ciel profond, ces images seront aussi prises en mode RAW noir et blanc temporaire ou en monochrome avec filtre couleur pour la technique LRVB. La soustraction des images de prétraitement des images de l'objet s'effectuera donc en noir et blanc, ce qui donnera un meilleur résultat que le faire en couleur. Après la soustraction, on convertit l'image résultante RAW (noir et blanc) en couleur pour les caméras CCD couleurs ou APN. Pour la technique LRVB, on assemble les images LRVB pour produire une image couleur. Pour tous les détails concernant la technique LRVB, voir la section Technique LRVB.

Voici la procédure pour acquérir ces images :

L'image de précharge (Offset ou Bias)

Il s'agit d'un signal électronique parasite constant qui s'ajoute à l'image de l'objet du ciel profond. On réalise le Bias en obstruant le foyer de la caméra et en prenant un temps d'exposition le plus court possible.

Voici un exemple d'image offset prise avec la caméra SBIG STL 11000 :

Offset SBIG

On constate que le signal n'est pas uniforme, il est plus foncé vers le haut de l'image. On aperçoit aussi des effets de franges (traits clairs verticaux). Prendre 30 images Bias et plus pour en réaliser plus tard un maître Bias.

Le Noir (Dark)

Le Noir (Dark) sert à capter le bruit de l'électronique (bruit thermique) de la caméra CCD. Il doit être réalisé avec le même temps de pose que l'objet à imager et à la même température. Il est à noter que le Noir contient le Bias. Alors, pourquoi prendre une image de précharge? Si le Noir n'a pas été pris avec le même temps d'exposition que l'image du ciel profond, il faut utiliser le Bias. En effet, le signal du Bias est toujours le même ou constant. Si on utilise un Noir qui n'a pas été pris avec le même temps d'exposition que l'image du ciel profond, le logiciel de prétraitement auto équilibrera le Noir avec l'image du ciel profond, augmentant ou diminuant le signal du Noir. Il augmentera ou diminuera aussi le signal du Bias ce qui aura comme résultat de ne pas soustraire correctement le Bias de l'image du ciel profond (pour plus d'explications, cliquer sur ce lien). Même si on ne l'utilise pas, le Bias peut servir à vérifier la qualité de la caméra CCD.

Le Noir se prend en obstruant le foyer de la caméra CCD et en effectuant un temps d'exposition identique à chaque image composite de l'objet à imager. Aussi, le Noir doit être pris à la même température que l'objet à imager (pour que les pixels chauds et froids soient identiques, voir plus bas). Il peut être pris avant la séance d'astronomie ou après. Prendre 5 Noirs (si possible 10 et plus) avec le même temps d'exposition pour en réaliser plus tard une seule image Noire qui représente la moyenne des Noirs.

Si la température change de + ou - 2^o durant la nuit, il faut refaire le Noir. Personnellement, je réalise mes Noirs d'avance (durant les jours de pluies par exemple), de sorte que j'ai déjà en possession des Noirs avec le même temps d'exposition et à la même température que l'objet que je m'apprête à imager.

Voici un exemple d'image Noire prise avec la même caméra SBIG STL 11000 refroidie à une température constante de - 10^o Celsius et avec un temps d'exposition de cinq minutes :

Noir SBIG

Les points blancs représentent des pixels chauds (Hot pixels ou Bad pixels) qui apparaissent toujours au même endroit sur l'image pour chaque photo composite. Ces pixels chauds représentent une partie du bruit thermique de l'image. Sur cette image Noire, il n'y a pas beaucoup de pixels chauds pour la raison que la caméra CCD est refroidie à - 10^o Celsius.

Afin de comparer cette image Noire avec l'image de précharge présentée au point 1 ci-haut, j'ai augmenté le contraste de l'image Noir dans l'exemple suivant :

Noir SBIG augmenter le conytraste

On peut observer les franges verticales de l'image Bias. De plus, comme dans l'image de précharge, on constate que le signal n'est pas constant démontrant clairement que le Bias est inclus dans le Noir. On voit aussi une structure granuleuse dans l'image Noire plus contrastée. Ce ne sont pas des pixels chauds additionnels, mais plutôt le courant d'obscurité de l'image Noire qui ressort dans cette image à très fort contraste. Les pixels chauds et le courant d'obscurité disparaîtront de l'image du ciel profond lors de la soustraction du Noir.

La plage de lumière uniforme (PLU ou flat field)

La plage de lumière uniforme (PLU ou flat field) permet de corriger les problèmes de vignetage de l'optique utilisé (la lumière a tendance à diminuer d'intensité au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre de l'image) et de faire disparaître les poussières qui se déposent à différents endroits sur l'optique, la Barlow, le capteur de la caméra, etc. Il est à noter qu'on peut essayer d'enlever toutes ces poussières, mais il en restera toujours. Aussi le PLU permet de corriger les variations de sensibilité des pixels de la caméra.

On réalise le PLU en photographiant une zone uniformément éclairée tel qu'un ciel bleu près du Zénith ou toutes autres surfaces uniformément éclairées. Prendre au moins 10 images PLU avec le même temps d'exposition pour en réaliser plus tard une seule image PLU qui représente la moyenne des PLU.

Voici un exemple de PLU réalisé avec la même caméra SBIG STL 11000 montée au foyer primaire du télescope Takahashi FSQ 106ED (GRAS-014). le temps d'exposition de chaque image PLU est d'une seconde :

PLU caméra SBIG

J'ai augmenté le contraste de l'image pour bien faire ressortir tous les défauts. On peut constater très bien le vignetage (luminance plus sombre sur les bords de l'image). On voit aussi apparaître des poussières de différentes grosseurs. On voit aussi les franges verticales du Bias, car le Noir ou le Bias n'a pas été soustrait de cette image PLU. Par contre, on ne voit pas de pixels chauds. La raison est que chaque image PLU, de cet exemple, est d'une seconde et que la caméra est régulée (refroidissement constant) à -10^o Celsius. Les pixels chauds apparaissent surtout lors de long temps d'exposition. Aussi le refroidissement de la caméra permet de diminuer le nombre de pixels chauds.

Il n'est pas facile de réaliser un PLU car il doit être produit avec le même équipement qui à servi à prendre la photo et cet équipement ne doit pas être réassemblé ou déplacé car les poussières ne seront plus au même endroit par exemple. La mise au point doit être identique à celle de l'image prise. Donc, l'idéal est de prendre le PLU immédiatement après avoir pris l'image du ciel profond ou de la planète. À ce moment, il n'est pas facile de trouver une surface uniformément éclairée car nous sommes en pleine nuit!

Si l'on n'a pas réalisé un PLU lors de la session d'astronomie, on peut faire disparaître le vignetage qui apparait sur l'image en utilisant un logiciel de traitement spécialisé pour la photo astronomique. Par exemple avec le logiciel Iris on peut utiliser la commande Retrait du gradient (estimateur polynomial ...) qui donnera de très bons résultats. Par contre, cette commande ne fera pas disparaître les poussières.

Le temps d'exposition du PLU

Il est important de ne pas saturer l'image et aussi de ne pas la sous-exposée. La règle est la suivante pour les types de caméra CCD suivants :

Conversion	Tons de gris	Saturation du PLU (35 à 50%)
A/N	ou couleurs	35%	50%

16 bits	65 536	22 938	32 768

12 bits	4 095	1 433	2 048

8 bits	256	90	128

Pour réaliser le PLU, viser un fond blanc uniformément éclairé. Faire des tests de temps d'exposition pour arriver aux résultats du tableau. Prendre au minimum 10 images PLU.

Si le logiciel d'acquisition des images que l'on utilise ne permet pas de vérifier la saturation du PLU, on peut utiliser Photoshop. Ouvrir l'image PLU dans Photoshop et suivre la procédure suivante :

Avec la souris, se déplacer dans les parties les plus claires de l'image PLU et vérifier les valeurs dans l'onglet info (en haut à droite de l'écran) :

L'information s'affiche toujours en référence à une image 8 bits, les valeurs en RGB doivent donc se situer entre 90 et 128. Dans l'exemple ci-haut, le PLU n'est pas bon car les valeurs RGB dépassent les valeurs de références.

Pour enlever le bruit thermique et le Bias aux images PLU, il est conseillé de soustraire une image Noire de chacun des PLU, surtout si le temps d'exposition est de plus de 10 secondes par image. Il faut donc prendre les Noirs avec le même temps d'exposition et à la même température que le PLU. Donc prendre les Noirs immédiatement après avoir pris les PLU.

Choisir la surface de diffusion du PLU

Voici une façon simple de produire une image PLU. Elle demande très peut de bricolage. Le PLU doit être produit immédiatement après la prise de photos pour éviter que les poussières se déplacent. Pour produire le PLU il faut une surface également éclairée. Dû à la grande sensibilité de la caméra CCD, l'intensité lumineuse peut être faible. L'important est qu'elle soit uniforme.

1- Utilisation d'une lampe spot du bureau muni d'une ampoule fluo compacte connectée sur la batterie Éliminator. On met un linge blanc (type drap) sur la lampe (aucun danger, l'ampoule fluo n'est pas chaude)

2- Projection du faisceau lumineux sur un carton blanc de 3'x3'

3- Le télescope pointe sur le carton blanc et son faisceau le couvre au complet.

4- Le temps d'exposition est déterminé manuellement pour arriver à la saturation correcte du PLU (voir le tableau ci-haut)

5- Prendre au moins 10 photos du PLU

Le montage est le suivant :

Le carton blanc doit être parallèle à la lampe pour une diffusion de la lumière uniforme.

La méthode du T-shirt

Une autre méthode simple sans bricolage de produire une image PLU en pleine nuit est d'utiliser un T-shirt blanc et un Flash électronique. On met le T-shirt directement sur le pare bué du télescope (mettre 2 couches et s'assurer qu'il n'y a pas de plis). On démarre une pose de 10 secondes (le temps pour se déplacer à bonne distance), on se place à environ 5 mètres (15 pieds) du télescope, on pointe le flash en direction du champ de vision du télescope et on démarre le Flash. On revient examiner l'image à l'ordinateur pour valider l'intensité lumineuse. La distance varie selon le type d'image que l'on prend :

Luminance : 5 mètres (15 pieds)
Filtre H-Alpha, Rouge, Bleu, Vert : 2 mètres (7 pieds)
Caméra CCD couleur : 2 mètres (7 pieds)
APN (800 ou 1600 ISO) : 1 mètre (3 pieds)

Ces distances approximatives peuvent varier selon l'intensité du flash, la sensibilité de la caméra CCD ou APN et l'ouverture focale du télescope. Utiliser donc ces distances de base pour débuter et ajuster ensuite celles-ci en tenant compte de votre équipement.

Une méthode rapide pour vérifier la saturation du PLU est de regarder l'histogramme pour s'assurer que l'information se trouve entre le milieu et le 3/4 de l'histogramme comme dans l'exemple suivant :

Saturation du PLU

Regarder aussi l'image à l'écran, on doit voir les poussières et le vignetage comme dans l'exemple suivant :

Exemple saturation du PLU

Il reste à prendre des poses de 10 secondes en actionnant le flash à cet intervalle (10 poses ou plus selon votre préférence).

La boîte à PLU

On peut aussi construire une boîte à PLU (Flat Field). Voici des exemples intéressants que j'ai trouvés sur Internet :

Personnellement, j'ai construit ma boîte à PLU en m'inspirant du plan de JF Brunelli.

La formule mathématique du prétraitement des images

Je mentionne souvent que l'on soustrait les images de prétraitement de l'image de l'objet du ciel profond. Cela facilite mon propos. Mais en réalité, voici la formule que tous les logiciels de prétraitement d'images astronomiques peuvent mettre en pratique :

Image calibrée = Image brute - (Noir - Bias) - Bias / PLU - (Noir- Bias) - Bias

Même si la formule vous semble compliquée, elle est simplifiée car les images de prétraitement sont des Maîtres Noirs, Maîtres PLU et Maîtres Bias. Inscrire ce fait dans la formule la ferait encore paraître plus compliquée et plus difficile à comprendre.

Donc, comme l'indique la formule, si on utilise le Bias (pour la raison que le Noir n'a pas été pris au même temps d'exposition que l'image du ciel profond), il faut l'enlever des images Noires pour ne pas le considérer 2 fois car le Bias est inclus dans le Noir.

Plusieurs astrographes ne se donnent pas la peine de réaliser un Noir avec le même temps d’exposition et à la même température que l’image du ciel profond. La raison est simple, lorsqu’on est rendu à prendre des photos individuelles de 30 minutes et plus, la réalisation du Noir devient une tâche exigeante due au temps à consacrer pour prendre le Noir comme dans l’exemple suivant : 10 images Noires d’une durée de 30 minutes chaque = 5 heures ! Si la caméra n’a pas une température régulée, la tâche devient vite très exigeante… Donc, dans ce cas, il faut utiliser la formule ci-haut pour que le Bias soit soustrait correctement. Il est aussi recommandé de prendre une seule série de Noirs avec son plus long temps d'exposition.

Il est à noter que ce prétraitement ne sera pas aussi efficace que de prendre le Noir avec le même temps d’exposition et à la même température que l’image du ciel profond (il restera des pixels chauds dans l’image).

Considérant que le Bias est déjà inclus dans le Noir (et que le Noir a été pris avec le même temps d'exposition et à la même température que l'image du ciel profond), on peut simplifier la formule comme suit :

Image calibrée = Image brute - Noir¹ / PLU - Noir²

Noir¹ = même temps d'exposition (et la même température) que chacune des images brute

Noir² = même temps d'exposition (et la même température) que chacune des images PLU

Note : Si les images PLU ont une durée d'exposition de moins d'une seconde (ou 10 secondes pour les caméras CCD refroidies à -10^o Celsius ou plus), on peut ignorer la soustraction de l'image Noir² du PLU. Par contre, il faudra soustraire le Bias du PLU. Dans ce cas, la formule sera encore plus simple à réaliser et sera la suivante : Image brute - Noir¹ / PLU - Bias

Si possible, privilégiez ce prétraitement car il donnera les meilleurs résultats.

Le nombre d'images à prendre pour chaque image de prétraitement

Pour diminuer le bruit des images de prétraitement, il est recommandé de prendre plusieurs images. Voici une formule intéressante à connaître (et déjà présentée sur les temps d'exposition minimum suggérés) pour évaluer le bruit restant (par rapport une seule image) :

% bruit restant = 1 / √ nombre d'images

Si on prend 5 images Noires, le pourcentage de bruit restant sera de 44,7% i.e. une diminution du bruit de 55,3%.

Si on prend 10 images, le pourcentage de bruit restant sera de 31,6% i.e. une diminution du bruit de 68,4%.

Donc avec seulement 5 images, le bruit est diminué de plus de 50% par rapport à une seule image. Si on compare cette diminution du bruit avec 10 images, la différence est de 13,1% (68,4% - 55,3%). Souvent, les images de prétraitement se prennent à la fin de la nuit et on est fatigué, on a hâte de retrouver son lit douillet. Il faut donc juger de l'intérêt du gain de 13,1%. Par exemple si les images individuelles des objets du ciel profond sont de 15 minutes, si on prend 5 Noirs de 15 minutes, le temps total sera de 1h15. Avec 10 images Noires le temps total est le double soit 2h30. Il faut prendre les PLU en plus et, pour les astronomes nomades, ranger tout l'équipement et revenir à la maison ! À vous de juger de l'intérêt du gain de 13,1% par rapport à votre temps d'exposition par photo. Par exemple si le temps d'exposition par photo est de 2 minutes, on peut réaliser un plus grand nombre d'images Noires (le temps total sera de seulement 20 minutes pour 10 images Noires). Il faut aussi considérer qu'une image prise avec un temps d'exposition de 2 minutes est plus bruitée que celle prise avec un temps d'exposition de 15 minutes car l'écart entre le signal et le bruit (S/B) sera moindre que celle de 15 minutes.

Pour les images PLU (et Bias selon le cas), il est facile de réaliser plus de 10 images car le temps d'exposition par photo est court (la plupart du temps moins d'une minute pour chaque image PLU). Par exemple, si chaque image PLU est de 10 secondes, prendre 50 images PLU aura une durée de 8,33 minutes seulement et le bruit sera diminué de 85%.

Révisé le 21 janvier 2012

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