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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 :
  1. L'image de précharge (Offset ou Bias)
  2. Le Noir (Dark)
  3. La plage de lumière uniforme (PLU ou flat field)
Pour acquérir les images de prétraitement, il est conseillé d'utiliser le même logiciel qui servira à l'acquisition et au prétraitement des images du ciel profond. Les résultats seront ainsi maximisés. 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 ou la division 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 (appareils photos numériques). 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 :

  1. L'image de précharge (Offset ou Bias)

Le Bias représente le bruit de lecture de la caméra. 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 200 images Bias pour en réaliser plus tard un Maître Bias en utilisant la méthode de compositage moyenne (average).

  1. 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. Il peut être pris avant la séance d'astronomie ou après. Prendre au moins 10 images Noires pour en réaliser plus tard un Maître Noir en utilisant la méthode de compositage moyenne (average).

Concernant la température, il est recommandé d'utiliser une caméra qui permet de réguler la température (par exemple, configurer une température constante de -20o Celsius pour les images du ciel profond et les Noirs). Cette précision est nécessaire pour s'assurer d'enlever entièrement les pixels chauds et froids.

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. Je renouvelle mes banques de Noirs et Bias annuellement. La raison est qu'en utilisant régulièrement la caméra, le Bias et le Noir changent avec l'usure de celle-ci. Concernant le PLU, il doit toujours être pris après chaque séance d'astrophotographie.

Voici un exemple d'image Noire prise avec la même caméra SBIG STL 11000  refroidie à une température constante de - 10o 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 - 10o Celsius.

Afin de comparer cette image Noire avec l'image de précharge présentée au point 1 ci-dessus, 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, les franges verticales et le courant d'obscurité disparaîtront de l'image du ciel profond lors de la soustraction du Noir.

  1. 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 un Maître PLU en utilisant la méthode de compositage moyenne (average).

Voici un exemple de PLU réalisé avec la même caméra SBIG STL 11000 montée au foyer primaire du télescope Takahashi FSQ 106ED (iTeslescope-T14). 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 -10o 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.

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 différents types de caméras (CCD ou APN) suivants :

 
Conversion  Tons de gris Saturation du PLU (35 à 75%)
A/N ou couleurs 35% 75%
       
16 bits 65 536 22 938 49 152
       
12 bits 4 095 1 433 3 071
       
8 bits 256 90 192

Pour réaliser le PLU, viser un fond blanc uniformément éclairé. Faire des tests de temps d'exposition pour arriver aux résultats du tableau. Le temps d’exposition du PLU devrait être d’au moins une seconde pour s’assurer de ne pas enregistrer le déplacement de l’obturateur de la caméra. Prendre au minimum 10 images PLU. 

Voici la méthode la plus rapide pour vérifier la saturation du PLU. Immédiatement après avoir fait un test de durée d'exposition, on affiche l'histogramme de l'image brute qui apparait à l'écran de l'ordinateur (pour les APN, il faut afficher l'histogramme à l'écran de la caméra). Voici un exemple avec le logiciel Maxim DL. Pour afficher une portion de l'histogramme, sélectionner View | Screen Stretch Window :

Saturation du PLU 

Avec la souris, déplacer le triangle rouge à la valeur la plus faible (Minimum) et le triangle vert à la valeur la plus élevée (Maximum), comme dans l'exemple illustré. L'image étant en 16 bits, regarder dans le tableau ci-dessus, la saturation du PLU doit se trouver entre 22 938 (35%) et 49 152 (75%). Revenir à la portion de l'histogramme (Screen Stretch), la valeur maximum (bouton vert) est à 35 835. Elle se trouve entre les valeurs recommandées. Ensuite, regarder l'image du PLU à l'écran, on doit voir les poussières et le vignetage comme dans l'exemple suivant :

PLU image 

On constate que le PLU n'est pas surexposé. On peut déplacer le bouton rouge de l'histogramme vers la gauche pour diminuer le contraste de l'image et ainsi mieux apprécier la qualité du PLU:

PLU - Image moins contrastée

En conservant la saturation (les valeurs maximums) du PLU entre 35% et 75%, le logiciel de prétraitement sera en mesure de calibrer le PLU selon les meilleures valeurs pour l'image brute du l'objet du ciel profond à prétraiter.

Voici un autre exemple avec le logiciel Nebulosity. L'histogramme présenté est basé sur la même image PLU. Pour afficher l'histogramme, sélectionner Vue | Contrôle d'affichage :

PLU avec Nebulosity

L'histogramme s'affiche en entier (0 à 65 536 nuances) au lieu d'une petite portion (Screen Stretch) offert par le logiciel Maxim DL. Il est ainsi plus facile de valider le PLU d'un seul coup d'oeil. En effet, on voit immédiatement que les valeurs maximums du PLU s'affiche près du centre de l'histogramme. On peut aussi analyser la qualité du PLU de la même façon que Maxim DL. On décoche le champ Auto et on déplace, avec la souris, le curseur B (pour Black - pour les tonalités les plus sombres du PLU) vers la gauche ou la droite. On peut aussi déplacer le curseur W (pour White - pour les tonalités les plus claires du PLU) au besoin. On regarde en même temps les changements sur l'image affichée à l'écran. Il est à noter que ces manipulations n'affecteront pas les images PLU qui seront enregistrées sur le disque dur de l'ordinateur.

Pour les appareils photo numériques (APN), l'histogramme s'affiche aussi en entier, comme le logiciel Nebulosity. Pour afficher l'histogramme de l'image PLU à prendre, voir le manuel d'utilisation de votre APN. Il est à noter que la majorité des APN peuvent afficher un histogramme de l'image. Avec ces appareils, on ne peut pas manipuler l'histogramme (il n'y a pas de boutons ou curseurs pour analyser le PLU). Donc, il faut juste s'assurer que les valeurs maximums se trouvent entre 35% et 75% de l'histogramme. Voici un exemple en utilisant ma boîte à PLU et ma caméra Nikon Coolpix S7000 :

PLU histogramme avec caméra Nikon

L'histogramme s'affiche en bas à gauche. Pour ajuster l'information du PLU au centre de l'histogramme, j'ai augmenté le diaphragme de la caméra à +2 crans, comme illustré. Ensuite, il reste à prendre au moins 10 images PLU avec ce temps d'exposition. Très rapide et précis. En procédant ainsi, pas besoin de faire d'autres tests, il est certain que le PLU sera bon.

Choisir la surface de diffusion

Il n'est pas facile de réaliser un PLU car il doit être produit avec le même équipement qui a 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. À ce moment, il n'est pas facile de trouver une surface uniformément éclairée car nous sommes en pleine nuit!

Voici une méthode 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 uniformément 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 (prise 110 volts). 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 la section Le temps d'exposition du PLU ci-dessus)

5- Prendre au moins 10 photos du PLU

Le montage est le suivant :

 
PLU - Montage

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

Cette méthode pour réaliser un PLU est souvent utilisée dans un observatoire permanent. On installe le carton blanc en permanence (ou toutes autres surfaces blanches mâtes qui supportent bien l'humidité) sur le mûr ou au plafond de l'observatoire. Ensuite, on installe aussi la lampe en permanence. Il reste juste à faire des tests de temps d'exposition avec son équipement permanent pour chaque filtre qu'on utilise. Comme le tout est installé en permanence, lors des prochaines sessions d'imageries, il restera à répéter ces temps d'exposition pour chaque filtre sans avoir à faire d'autres tests.

La méthode du T-shirt

Une autre méthode simple sans bricolage pour 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 flash, l'équipement et les filtres qu'on utilisent. Utiliser donc cette distance pour débuter et ajuster ensuite celle-ci en tenant compte de votre équipement.

 

La boîte à PLU

 

On peut aussi construire à peu de frais 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.

 

Une autre option (plus dispendieuse) est d'acheter un panneau lumineux conçu spécialement pour produire un PLU.

 

Il est à noter que la boîte à PLU (ainsi que le panneau lumineux) est la meilleure méthode pour produire un PLU de grande qualité, car aucune lumière ambiante ne viendra corrompre le PLU. Pour cette raison, je vous conseille d'utiliser une boîte à PLU pour produire vos PLU.

 

Les formules mathématique du prétraitement des images

 

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)

Les images de calibration sont des Maîtres Noirs, Maîtres PLU et Maîtres Bias.

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.

 

Dans la formule, on utilise 4 fois le Maître Bias. Considérant que chaque image de prétraitement contient un certain niveau de bruit qui s'ajoute à l'image du ciel profond, il est recommandé de prendre 200 images Bias et d'en faire un Maître Bias. Le bruit restant de ce Maître Bias sera alors de seulement de 7,1% (voir le tableau sur les temps d'exposition suggérés), contribuant ainsi à ne pas trop introduire de bruit dans l'image du ciel profond, puisse qu'on utilise 4 fois le Maître Bias dans la formule, ce qui portera le bruit restant à 28,4% (4 x 7,1%).

 

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 10 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 10 minutes chaque = 1,67 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-dessus 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, 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 de 10 secondes (ou 30 secondes pour les caméras CCD refroidies à -10o 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 10 images Noires, le pourcentage de bruit restant sera de 31,6% i.e. une diminution du bruit de 68,4%.

Si on prend 20 images, le pourcentage de bruit restant sera de 22,4% i.e. une diminution du bruit de 77,6%.

Donc avec 10 images Noirs, le bruit est diminué de 68,4% par rapport à une seule image. Si on compare cette diminution du bruit avec 20 images, la différence est de 9,2% (77,6% - 68,4%).  Il faut donc juger de l'intérêt du gain de 9,2%. Par exemple si les images individuelles des objets du ciel profond sont de 10 minutes, si on prend 10 Noirs de 10 minutes, le temps total sera de 1h40. Avec 20 images Noires le temps total est le double soit 3h20. À vous de juger de l'intérêt du gain de 9,2% par rapport à votre temps d'exposition par photo. Un autre 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 40 minutes pour 20 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 10 minutes car l'écart entre le signal et le bruit (S/B) sera moindre que celle de 10 minutes.

Pour les images PLU, 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%. Pour le Bias, il est recommandé d'en prendre 200 (voir explication ci-dessus).

Révisé le 18 juillet 2017


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