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Pour un aide mémoire illustré à propos du traitement des images d'appareils photo numérique, cliquer ici

Leçon 29 : Le traitement des images d'appareils photographiques numériques

Cette leçon décrit des outils de IRIS spécialement implémentés pour traiter les images provenant des appareils photographiques numériques (APN) capables de produire des images au format RAW. Le RAW traduit fidèlement sous forme numérique le signal provenant directement du capteur de l'APN. Cliquer ici pour des informations spécifiques sur le format RAW et plus généralement, sur les propriétés en astronomie des appareils photographiques numériques modernes.

Si les APN produisent des images au format JPEG ou encore TIFF, permettant de voir l'image acquise directement en couleur, pour bénéficier de la performances maximale il faut absolument travailler en RAW. Il y a au moins trois raisons fondamentales qui justifie ce choix : (1) l'image RAW n'est pas dégradée par un compression irréversible comme le fait le JPEG, (2) la plupart des APN codes le RAW sur 10, 12, voire 14 bits, alors que le JPEG et TIFF standard sont limités à 8 bits de dynamique par plans couleurs, (3) les paramètres d'acquisitions sont bien fixés en RAW, d'où la garantit d'obtenir des résultats reproductibles alors qu'en JPEG ou TIFF le processeur de traitement interne de l'APN agit suivant sont bon vouloir sur telle ou telle image, rendant très problématique une exploitation sérieuse.

Une image d'APN n'échappe pas au processus classique de prétraitement que doit subir toute image CCD astronomique. Même si le capteur de l'APN est du type CMOS, on est sur le même terrain que les détecteurs CCD. Ainsi, toute exploitation des images est précédée d'une séquence de traitement visant, dans l'ordre, à :

(1) retirer le signal d'offset (ou signal de décalage, encore appelé bias en anglais). Ceci permet de fixer le vrai zéro électrique du signal utile, un préalable à tout ce qui va suivre.

(2) retirer le signal thermique généré par des défauts du matériaux constituant le capteur (impuretés) et qui est étroitement fonction de la température. Ce signal thermique est obtenu lors de poses distinctes que l'on réalise en faisant des expositions longues alors que le capteur est dans l'obscurité totale. Les images obtenues s'appelles des noirs ou encore dark en anglais. On appelle parfois le signal thermique, le signal d'obscurité.

(3) corriger les non uniformités locales de réponse, provoqués par exemple par un vignettage optique ou encore par la présence de poussières dans le trajet de la lumière. Pour cela les images à traiter sont divisées par des images de scènes uniformes (que l'on appelle Plage de Lumière Uniforme - PLU - ou flat-field en anglais).

Ce sont ces étapes appliquées aux images issues d'APN qui sont décrites dans cette leçon. On y aborde aussi le problème du recentrage de séquences d'images et du compositage d'images. Enfin, on donne quelques notion sur le traitement spécifique des images couleurs et quelques astuces d'utilisation de IRIS dans ce domaine.

Note : pour un complément d'information sur le traitement des images du ciel profond avec IRIS il est fortement recommandé de lire pages accessibles en cliquant ici.

Avant tout chose vous devez convertir les images RAW provenant de l'APN dans un format d'image plus directement exploitable par IRIS : soit le format propriétaire PIC, soit le standard de l'astronomie, le FITS. Une fois les prétraitements nécessaires réalisés dans l'un de ces formats, Iris V4.0 vous permet d'exporter simplement votre résultat dans quelques formats habituels de l'infographie (JPEG, TIFF, PNG, BMP).

Dans la version 4.00 il est cependant recommandé de travailler les images importées de l'APN dans le format PIC plutot que le format FITS. Ceci est due à une limitation temporaire de la gestion des images au format FITS dès qu'il est question de stocker une image en vrais couleurs.

Voici avant toute chose comment configurer au mieux IRIS pour cette leçon.

1. Configuration de Iris

Ouvrez la boite de dialogue Réglages... depuis le menu Fichier. Indiquez le répertoire de travail dans lequel vous allez stocker les images de l'APN et les traiter (ce répertoire doit avoir été créée au préalable). Dans l'exemple ci-après ce répertoire a été nommé job sur le disque C: (c'est un exemple). Cochez aussi l'option format PIC.

Validez en cliquant sur OK (nota : ces réglages sont conservés, même après un redémarrage de IRIS).

A présent cliquez sur le bouton figurant un appareil photo numérique dans la barre d'outil :

Dans la boite de dialogue qui s'affiche alors, sélectionnez dans la liste déroulante du bas un modèle d'appareil photographique. L'option CANON permettra d'importer directement des images RAW provenant des appareils EOS D60, 10D ou encore 300D, l'option NIKON permettra d'importer des images RAW du modèle D100, l'option MINOLTA permet de reconnaître le format RAW de cette marque (par exemple les APN de la série DiMAGE 7), etc.

Noter que chaque fabriquant dispose de son propre format RAW. Par ailleurs chez Canon les fichiers RAW ont l'extension CRW, chez Nikon c'est NEF, chez Minolta c'est MRW, chez Olympus c'est ORW...

Vous devez ensuite choisir la technique que va utiliser IRIS pour convertir les fichiers RAW en images en vraies couleurs. Pour cela le logiciel doit interpoler l'information reçue par des pixels voisins recouverts soit de filtres rouges, soit de filtre verts, soit de filtres bleus. Le résultat est une image où chaque plan couleur est codé sur 16 bits (soit 48 bits d'informations par pixel). La méthode linéaire d'interpolation est la plus rapide, mais elle donne des résultats moyens en ce qui concerne la résolution spatiale (évanouissement des plus fins détails). Cependant cette méthode demeure souvent viable car de toute manière la résolution spatiale est dégradée au moins de la même valeur lors du recentrage des images de champs d'étoiles. La méthode par la médiane préserve mieux les résultats, mais applique un filtre qui dégrade significativement la structure normale des étoiles en imagerie du ciel profond (profil gaussien). Cette technique n'est pas recommandée pour l'images des étoiles. La méthode par gradient préserve bien les détails de l'original. Le temps de calcul est long, mais c'est la méthode qui donne qui donne les détails les plus fouillés, même si en imagerie du ciel profond les étoiles ne sont pas exemptes de léger artifact.

Ci-dessous un détail dans la couche bleu d'une image réalisée avec un EOS 10D et une lunette Takahashi FSQ-106 qui donne des étoiles extrêmement fines, un peu au dessus de la normale des instruments d'amateurs. On compare les trois méthodes d'interpolation (chaque sous-image a été agrandie d'un facteur deux) :

La même comparaison est faite sur la couche verte, qui est toujours la mieux résolue des trois. Les différences sont moins visibles :

Pour les tests sélectionner la méthode linéaire qui est la plus expéditive :

Attention, les images provenant des APN sont de très grandes tailles, aussi un ordinateur puissant est impératif pour atteindre le confort d'utilisation suffisant de IRIS. Une vitesse du microprocesseur supérieure à 1 Ghz est recommandée. Par dessus tout, il vous faut une quantité de mémoire vive conséquente, une bonne base est 512 Mo au moins.

2. Comment examiner directement le contenu d'un fichier RAW

Depuis la boite de dialogue Ouvrir du fichier du menu Fichier choisissez le type de fichier Photo et allez dans le répertoire contenant vos image RAW (ce peut aussi être une mémoire CompactFlash connectée au PC). Ouvrez un fichier de manière habituelle. Dans l'exemple ci-dessous on importe une image provenant d'un appareil Canon (extension .CRW) :

Les calculs effectués par le programme sont assez complexes et lourds. Tout d'abord IRIS décode le format RAW propriétaire (ici le RAW Canon) pour produire une image dite CFA (pour Color Filter Array). L'image CFA est une image noir et blanc qui montre le signal reçu par chaque pixels du capteurs. En alternance, ces pixels sont recouverts d'une mosaïque de filtres rouge, vert et bleu. Par exemple, si la scène observée est uniformément rouge, seuls les pixels recouverts d'un filtre rouge seront illuminés, les pixels verts et bleus apparaissant quand à eux très sombres dans l'image CFA. Voici une matrice CFA typique, dite de Bayer, qui donne l'agencement des pixels rouges, verts et bleus (noter qu'il y a deux fois plus de pixels verts que de pixels rouges ou bleus) :

IRIS converti ensuite l'image CFA par un processus d'interpolation en trois images distinctes représentant les composantes primaires (rouge, vert, bleu) de la scène observée. La restitution fidèle des détails dans chaque plan couleur est une opération délicate qui nécessite un volume de calcul important. Plusieurs algorithmes sont possibles pour cela. Celui sélectionné dans le panneau de contrôle de l'appareil photo à l'étape précédente est très performant (interpolation exploitant les gradients de l'image).

La procédure de chargement s'achève par l'affichage en vrais couleurs de l'image à l'écran.

Dans l'extrait d'image ci-dessus (document Thierry Demange - Canon EOS 10D) on trouve à gauche la trame caractéristique de l'image CFA et à droite l'image en couleurs naturelles après interpolation de l'information contenu dans les pixels rouges, verts et bleus adjacent.

Note : plutot que de passer par les menus vous pouvez charger une image couleur partir de la console de commande en tapant par exemple LOADCAM  CRW_0012

3. Gestion élémentaire des images en vraies couleurs

Une nouveauté importante de IRIS V4.0 est d'autoriser la sauvegarde en une fois de l'image en couleurs et non plus seulement sous la forme de trois fichiers séparés contenant les composantes primaires. Pour cela il faut qu'une image en vraies couleurs soit affichée à l'écran. Une indicateur en bas à gauche de la fenêtre de IRIS vous informe en permanence si c'est bien le cas :

Si le programme indique 48 bits cela signifie que vous avez en mémoire une image constituée de 3 plans couleurs de 16 bits chacun (3 x 16 bits = 48 bits). C'est une image dite en vraies couleurs. Si le programme indique 16 bits, vous avez à faire à une traditionnelle image noir et blanc.

Pour sauvegarder l'image en vrai couleurs il suffit d'invoquer la boite de dialogue Enregistrer sous du menu Fichier et de choisir le type de fichier PIC (format propriétaire de IRIS) :

Vous obtenez le même résultat depuis la console de commande en tapant simplement :

SAVE  TEST

Note : pour afficher la fenêtre de commande cliquer sur l'icône approprié de la barre d'outils (pour une aide sur l'utilisation des commandes, cliquer ici) :

Le fichier produit (ici TEST.PIC dans le répertoire de travail) peut être à tout moment rechargé en utilisant la commande Charger... du menu Fichier ou en utilisant la commande LOAD depuis la ligne de commande :

LOAD  TEST

L'image s'affiche en vraies couleurs, telle quelle était au moment de la sauvegarde.

Note 1 : dans la version 4.0 les images couleurs ne peuvent être sauvegardées que sous la forme d'un fichier PIC. Dans les prochaines versions cette possibilité sera étendue aux fichiers FITS.

Note 2 : le format PIC couleurs est totalement compatible avec les versions antérieures à la V4.0. Le chargement d'une telle image est accepté sur une version ancienne de IRIS, mais seule la composante rouge s'affiche en noir et blanc à l'écran. Le format PIC étendu au stockage des images 48 bits a été prévu dès l'origine de la création de ce type de fichier, à la fin des années 90, mais n'avait jamais été exploité avant la version 4.0 de IRIS.

Il est possible de réaliser un certain nombre d'opération directement sur l'image en couleur. Par exemple, supposons que vous vouliez faire pivoter l'image courante de -20.1 degrés avec un centre de rotation situés aux coordonnées (1100, 650). Invoquer alors la commande Rotation... depuis le menu Géométrie et entrer les paramètres suivant :

Voici l'aspect de l'image avant et après l'opération :

Note : Avec de nombreuses commandes du menu vous pouvez revenir facilement à l'état de l'image avant le traitement en cliquant sur le bouton suivant de la barre d'outils :

4. La balance du blanc

Pour que l'image apparaisse naturelle, avec des couleurs neutres, sans teintes dominantes, il est souvent nécessaire d'ajuster la balance du blanc. Cette opération consiste à appliquer un coefficient multiplicatif aux trois couches de l'image RVB de manière à ce qu'un détail réputé blanc de l'image apparaissent effectivement blanc au final sur l'écran.

De manière générale lorsqu'on importe une image RAW pour pouvoir réaliser ensuite du prétraitement astronomique il est recommandé de ne pas toucher à la balance du blanc. La conséquence est que l'image importée présente souvent une dominante colorée qui choque l'oeil. Dans le cas du Canon EOS 10D/300D par exemple cette dominante est verte car les pixels de cette couleur ont une sensibilité notablement plus forte que les pixels bleus et rouges. Voici ce que cela donne juste après le chargement pour l'image du papillon :

En imagerie astronomique, nous le verrons plus loin, il est possible de ce satisfaire de ce type de défauts tout au long de l'essentiel du traitement d'image. C'est n'est généralement qu'à la dernière étape que l'on s'occupe d'équilibrer la balance chromatique de l'image pour lui donner un tonalité plus ou moins naturelle. Soulignons cependant dès à présent qu'il y a au moins trois méthodes dans IRIS pour traiter ce problème de balance.

4.1. Méthode 1 : ajustement sur une plage blanche de l'image

Il faut repérer un zone blanche de l'image et demander à IRIS de calculer d'équilibrer le contenu chromatique à cet endroit. C'est parfois un critère un peu arbitraire. Par exemple pour une image de Saturne on utilisera une bout des anneaux, pour une image de Mars, la calotte polaire, et pour notre papillon, ... une partie de son œil qui présente un liseré bien blanc !

Voici comment procéder. Avec la souris définissez une zone rectangulaire qui délimite une partie blanche (glissez la souris en appuyant simultanément sur le bouton gauche de la souris) :

Ensuite? depuis la console de commande, taper simplement la commande suivante (il n'y a pas de paramètres) :

WHITE

Une nouvelle image s'affiche presque immédiatement avec un équilibre chromatique corrigé. Remarquer que le programme retourne la valeur des coefficients appliqués à tous les pixels de chaque plans couleurs.

Nota : d'autres commandes de ce type sont disponibles dans IRIS, notamment pour le traitement spécifique des images du ciel profond. Nous les étudierons plus tard.

4.2. Méthode 2 : ajustement interactif de la balance du blanc

Alors que l'image couleur est affichée, appeler la boite de dialogue Balance du blanc... à partir du menu Visualisation :

Ajuster la position relative des curseurs Rouge, Vert et Bleu. Le résultat s'affiche après chaque action. Cette boite de dialogue permet par ailleurs d'ajuster le gamma de l'image ainsi que le niveau de saturation des couleurs.

4.3. Méthode 3 : ajustement de la balance du blanc lors du chargement de l'image

Lors du chargement d'une image RAW la programme peut appliquer automatiquement, de manière transparente, un coefficient aux pixels de chaque plan pour que l'image s'affiche directement avec un bon équilibre chromatique. Vous devez au préalable définir ces coefficients. Pour cela ouvrir la boîte de dialogue de réglage des paramètres caméra (icône d'appareil photo dans la barre d'outil) :

Cocher la case autorisant IRIS à appliquer la balance du blanc lors du chargement d'une image RAW, puis entrer la valeur des coefficients. Ceux-ci sont par exemple estimés en photographiant un écran blanc sur une image test, puis en utilisant les résultats retournés par la commande WHITE (mais iI faut ce rappeler que l'éclairage a aussi son importance au travers de sa température de couleur).

Pour la suite de cette leçon décocher la case Appliquer la balance du blanc.

5. Visualisation de l'image CFA et extraction des plans couleurs

Les images CFA ont un texture très particulière et ne peuvent être utilisés telles quelles pour une exploitation. C'est tout de même la matière première à partir de laquelle une image couleur va pouvoir être construite. Il peut être utile dans certaines phases élémentaires de travailler directement l'image CFA. C'est du reste la stratégie utilisée par IRIS pour le prétraitement. Au moins à titre d'information vous pouvez visualiser une image CFA en utilisant la commande LOADCFA. Elle n'a qu'un paramètre, qui est le nom de l'image RAW. L'extension du fichier RAW n'est pas à préciser et l'image est chargée depuis le répertoire de travail si aucun chemin n'est indiqué. Par exemple :

LOADCFA CRW_0012

A ce stade vous pouvez convertir l'image CFA en une image couleur en lançant depuis la console la commande CFA2RGB. ll faut fournir 3 noms de fichiers images qui vont contenir respectivement les plans rouge, vert et bleu codés sur 16 bits. Par exemple

CFA2RGB R G B

produit dans le répertoire de travail les fichiers images noir et blanc R, G et B et affiche l'image en couleurs.

Note : la commande Conversion d'une image CFA... du menu Photo numérique génère aussi une image couleur sur l'écran mais les fichiers des plans couleurs ne sont pas produit.

Les plans couleurs peuvent être examiner et traiter individuellement :

LOAD  R
LOAD  G
LOAD  B

Pour reconstituer à l'écran une image en vraies couleurs à partir des trois plans vous pouvez utiliser la commande TRICHRO (ou TR en abrégé) :

TR  R  G  B

Le même résultat peut être obtenu à partir d'un boîte de dialogue. Lancer la commande (L)RGB... du menu Visualisation, remplir la boite de dialogue de la manière suivante, puis cliquer sur Appliquer ou OK :

Note : La boite de dialogue (L)RGB est un outil puissant qui permet de superposer si nécessaire les plans couleurs à une fraction de pixels près ou encore d'utiliser la technique LRGB avec ajustement de l'opacité (pour plus de détails sur le traitement LRGB et couleurs en général cliquer ici : REF1, REF 2, REF3).

Les plans RVB peuvent aussi être extraits de l'image 48 bits courante (l'image qui est affichée) en utilisant la boite de dialogue Séparation RGB... du menu Photo numérique. Vous devez indiquer simplement les noms des trois fichiers devant contenir l'information des trois couleurs fondamentales. Par exemple :

La commande en ligne équivalente est SAVE_TR. Par exemple :

SAVE_TR  R  G  B

L'utilisation de plans couleurs séparés offre des possibilités d'ajustements très fins. Par exemple pour réaliser la balance du blanc vous pouvez écrire quelque chose comme :

LOAD  R
MULT  1.57
SAVE  R
LOAD  B
MULT  1.64
SAVE  B
TR  R  G  B

Les commandes 48 bits vers 16 bits et 16 bits vers 48 bits du menu Photo numérique permettent respectivement de transformer une image couleur en une image noir et blanc (moyenne des couches RGB) ou de transformer une image noir et blanc en une image couleur (l'image noir et blanc est dupliquée pour constituer les plan RGB). Les commandes en lignes équivalentes sont TRI2MONO et MONO2TRI.

6. Comment avoir des informations sur les images ?

Les fichiers RAW des appareils photo numériques Canon sont généralement automatiquement accompagnés d'un fichiers de même nom mais avec l'extension THM. Ces fichiers contiennent une version réduite en format JPEG de l'image RAW ainsi que les paramètres principaux de prise de vue. Ces paramètres sont sauvegardés sous la forme d'une structure standard, dite EXIF. Quand vous chargez une image RAW à partir du menu Fichier, et si l'image THM est présente, IRIS lit automatiquement les informations EXIF. Vous pouvez alors connaitre quelques informations sur l'image courante en invoquant la commande Informations image... du menu Fichier :

Note : vous obtiendrez le même résultat en tapant la commande INFO depuis la ligne de commande.

La boite de dialogue Ouvrir offre aussi la possibilité de visualiser l'image miniature des fichiers THM, pour par exemple juger rapidement du contenu de telle ou telle image RAW :

IRIS peut délivrer des informations plus détaillées sur une image si on utilise la commande Voir Exif... du menu Photo numérique. Vous choisissez tout d'abord l'image, puis le programme affiche un détail du contenu de l'EXIF. Par exemple :

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