Dossier : traitement d'images
Le prétraitement en imagerie Ccd.
Thierry Legault - Janvier 1998
Cet article est tiré du numéro 10 de la revue Ccd & Telescope éditée par l'Association des Utilisateurs de Détecteurs Electroniques.
LES PRETRAITEMENTS, POUR QUOI FAIRE ?
L'image issue d'une caméra CCD est une image digitale (ou numérique), c'est-à-dire faite de nombres. Dans notre esprit, par référence à la technologie moderne (radio FM, Compact-disc, ...), numérique est souvent synonyme de fidèle et sans défaut perceptible. On pourrait en déduire qu'une image brute est immédiatement exploitable dès sa sortie de la caméra.
Il n'en est rien.Une image brute est toujours entachée de dégradations d'origines diverses, dont il va falloir essayer de minimiser l'influence afin d'obtenir une image la plus ‘propre' possible. C'est le rôle des prétraitements que de ‘nettoyer' cette image.
Que ce soit pour la photométrie, l'astrométrie, ou tout simplement l'esthétique, une image CCD n'est exploitable que si elle a été correctement prétraitée. On ne profitera réellement des avantages d'un capteur CCD (sensibilité, linéarité, etc...) et on ne pourra en tirer des mesures fiables qu'à ce prix. Dans la plupart des cas, une image mal prétraitée ou non prétraitée ne sera malheureusement bonne qu'à être jetée.
Les prétraitements représentent une étape incontournable de la technique CCD, ce sont les seuls traitements réellement indispensables. Dans le cas du ciel profond, ce sont souvent les seuls traitements que l'on fera subir à une image.
SIGNAUX ET BRUITS
Avant de préciser les différentes dégradations affectant une image brute, ainsi que leurs origines et leurs remèdes, il est nécessaire de redéfinir deux notions très différentes et pourtant fréquemment confondues : le signal et le bruit. Un signal est une quantité mesurable liée à un état d'un objet ou d'un phénomène physique donné : température, vitesse, intensité, nombre de photons, etc... Une des caractéristiques fondamentales d'un signal est d'être reproductible : idéalement, on devrait le retrouver identique à lui-même dans une série de mesures.
On peut classer les signaux en deux catégories : d'une part les signaux utiles, ceux que l'on cherche à mesurer (par exemple les photons provenant d'une galaxie), et d'autre part les signaux inutiles (c'est-à-dire indésirables !) qui viennent s'y mêler (par exemple les photons issus du fond de ciel). Etant reproductible, un signal indésirable peut être connu en effectuant une mesure dans des conditions telles que ce signal soit isolé (ou facilement isolable). Puisqu'on peut le connaître, on peut l'éliminer.
Malheureusement, dans notre monde réel rien n'est parfait, et tout signal est dégradé par de multiples causes : nature du signal lui-même, variations de l'état de l'objet à mesurer, imprécision et défauts de l'instrument de mesure, parasites, etc...
En fin de compte, plusieurs mesures donneront, dans le cas courant, des résultats voisins mais pas identiques. Les variations du signal mesuré par rapport au signal ‘moyen' représentent le bruit. Une des caractéristiques les plus importantes (et les plus ennuyeuses !) du bruit est liée à sa nature aléatoire : il n'est pas reproductible. Ne pouvant le reproduire, on ne peut le connaître. Ne pouvant le connaître, on ne peut retrouver le ‘vrai' signal.
Le rôle des prétraitements est de débarrasser l'image brute des signaux indésirables qui y sont présents et qui l'empêchent d'être exploitable. Mais ne confondons pas signal indésirable et bruit : les prétraitements ne peuvent malheureusement rien contre ce dernier !
LE CONTENU D'UNE IMAGE BRUTE
Les différents signaux présents dans une image brute sont les suivants :
a) Le signal de photons : Il s'agit de la lumière issue du ciel (objet et fond de ciel), convertie en électrons par le capteur. Ces électrons sont comptabilisés par l'électronique de la caméra qui délivre une information numérique proportionnelle à la quantité d'électrons mesurée pour chacun des pixels.
b) Le signal thermique : L'agitation des atomes du capteur CCD provoque l'accumulation d'électrons d'origine thermique qui se mêlent aux électrons d'origine lumineuse. Ce signal est proportionnel au temps de pose, et diminue lorsque la température du capteur s'abaisse. Il varie énormément d'un pixel à l'autre : certains pixels sont plus ou moins ‘chauds' (leur signal thermique monte vite), d'autres ne le sont pas ; sur ce plan, chaque capteur est un cas particulier.
c) Le signal d'offset (ou ‘précharge') : L'électronique de la caméra CCD biaise l'information d'intensité qui en est issue. A une intensité lumineuse nulle ne correspond pas un niveau ‘zéro', mais un niveau positif dont la valeur dépend de la conception de la caméra et des réglages électroniques effectués en usine. Ce signal dépend peu de la température, il est en général relativement uniforme sur l'ensemble d'une image CCD.
Il y a plus grave : Le signal de photons est dégradé par le système optique chargé de délivrer une image sur le capteur. Le vignetage, présent aussi bien dans les objectifs photographiques que dans la plupart des télescopes, assombrit l'image dans ses coins par rapport à son centre. De plus, des poussières présentes sur le trajet lumineux, en particulier sur le hublot de la caméra et sur le capteur lui-même, projettent des ombres sur ce dernier. La taille et la netteté d'une ombre dépendent de la distance de la poussière au capteur (plus elle est éloignée, plus l'ombre est grande et diffuse) et du rapport F/D du système optique (plus il est fermé, plus l'ombre est petite et marquée).
Enfin, chaque pixel du capteur possède sa sensibilité propre. Deux pixels différents recevant la même quantité de photons ne produiront pas exactement le même nombre d'électrons.
Le vignetage, les poussières et la sensibilité propre de chaque pixel ne constituent pas en eux-mêmes un signal, mais une perturbation qui modifie le signal de photons. Ils possèdent néanmoins la principale caractéristique d'un signal : leur effet est reproductible. L'objectif des prétraitements est d'éliminer aussi complètement que possible les signaux d'offset et thermique, ainsi que les dégradations occasionnées par le vignetage, les poussières et la sensibilité propre de chaque pixel.
A chaque signal est associé un bruit : bruit de lecture pour le signal d'offset, bruit thermique pour le signal thermique, et bruit de photons pour le signal issu des photons de l'objet céleste et du fond de ciel. Le bruit de lecture est principalement lié à la qualité de l'électronique de la caméra CCD. Le bruit thermique et le bruit de photons, quant à eux, sont liés à la nature discrète des signaux correspondants (électrons et photons) et varient comme la racine carrée de ces signaux.
Les bruits ne pouvant être éliminés une fois introduits dans l'image brute, il convient de les minimiser car ce sont eux qui limitent la précision de mesure dans une image et qui dégradent son aspect esthétique. Une bonne caméra CCD est, entre autres critères, une caméra à faible bruit de lecture et dotée d'un refroidissement correct. Même si une caméra CCD permet de travailler en présence de lune ou de pollution lumineuse, il est également très bénéfique de diminuer le signal de fond de ciel, qui est en général la principale source de bruit, en privilégiant les sites peu pollués. Quant au bruit de photons de l'objet lui-même, son influence peut être amoindrie par augmentation du signal (poses plus longues ou plus nombreuses) : certes le bruit augmente, mais moins vite que le signal, l'important étant d'obtenir un meilleur rapport signal/bruit. La chasse au bruit doit être un souci constant de tout utilisateur de caméra CCD, quelles que soient ses motivations !
LES IMAGES DE CORRECTION
Puisque trois phénomènes indésirables sont à éliminer, trois images spécifiques sont à acquérir. Ce sont :
a) L'image d'offset : Une exposition d'un temps de pose nul (ou très court) dans l'obscurité permet d'isoler le signal d'offset : le signal de photons est absent, et le signal thermique n'a pas le temps d'apparaître.
b) L'image thermique (ou ‘dark' ou ‘noir') : Une exposition dans l'obscurité, de même temps de pose que l'image à prétraiter et prise à la même température, donnera une image où seuls sont présents le signal thermique et le signal d'offset. Pour isoler le signal thermique, il suffit de soustraire pixel à pixel une image d'offset.
c) L'image de ‘flat' (ou ‘PLU' : Plage de Lumière Uniforme) : L'image d'une zone lumineuse uniforme (en général le fond de ciel au crépuscule ou à l'aube), prise avec un temps de pose court, permet de mesurer l'assombrissement dû au vignetage et aux poussières, ainsi que les différences de sensibilité entre pixels. Là aussi, la soustraction d'une image d'offset est nécessaire.
LA CORRECTION D'UNE IMAGE BRUTE
La correction d'une image brute s'effectue dans l'ordre inverse des altérations successives qu'elle a subies. On fait d'abord intervenir l'image d'offset, puis l'image thermique. Les signaux correspondants s'étant additionnés au signal de photons, l'opération à effectuer est une soustraction pixel à pixel.
Vient ensuite l'image de PLU. La dégradation à corriger étant ici de nature multiplicative (il s'agit en quelque sorte d'un ‘gain' à compenser), l'opération à effectuer est une division pixel à pixel. Afin de conserver des niveaux d'intensité proches de ceux de l'image brute, la division s'accompagne en pratique d'une multiplication par la valeur moyenne (K) de l'image de PLU.
L'équation fondamentale régissant les prétraitements, et que tout utilisateur de caméra CCD se doit de connaître, se résume à :
Image prétraitée =
Ce qui peut se simplifier en :
Image prétraitée =
Tous les logiciels de traitement d'image étant capables d'effectuer les opérations de soustraction et de division, cette manipulation s'effectue en quelques commandes seulement. Certains logiciels sont même capables de prétraiter les images par lots, et ceci de manière pratiquement automatique.
Si un pixel ‘chaud' a atteint sa saturation, le signal de photons présent dans ce pixel est perdu. Il apparaîtra comme un point aberrant (valeur nulle) dans l'image prétraitée. Plusieurs solution sont possibles : correction individuelle de ce pixel (moyenne des pixels environnants) ou, mieux, technique du ‘shift and add' (compositage d'images légèrement décalées à la prise de vues).
Ainsi, l'image prétraitée est une image débarrassée des signaux indésirables. Mais elle contient plus de bruit que l'image brute, car les images de prétraitement en contiennent aussi (et soustraire un bruit à un autre bruit ne le diminue pas, bien au contraire !).
En pratique, on effectue l'acquisition de plusieurs images d'offset, noires et PLU (typiquement 5 à 10). Ces images seront compositées (par moyenne ou médiane) pour donner des images finales moins bruitées que les images individuelles. De plus, la trace d'un rayon cosmique apparaît très souvent sur une image. L'acquisition de plusieurs images permettra, par compositage médian, de l'éliminer, et ainsi de ne pas introduire ce défaut dans toutes les images prétraitées.
PEUT-ON SE PASSER DES PRETRAITEMENTS ?
Non. Tout au plus, dans certains cas particuliers et avec de grandes précautions, pourra-t-on les simplifier :
a) L'offset : Lorsque l'image d'offset est uniforme (au bruit de lecture près, bien entendu), il est plus intéressant d'utiliser une image à valeur constante (égale à la valeur moyenne des pixels d'une image d'offset), car on évite d'introduire, dans les images prétraitées, le bruit de lecture présent dans une véritable image d'offset.
b) Le noir : Lorsque le capteur est correctement refroidi et que le temps de pose est court (quelques secondes maximum), le signal thermique n'a pas le temps d'apparaître. Dans ce cas l'image noire est inutile, une image d'offset suffit.
A signaler une technique très efficace (mise au point par C. Buil) permettant de s'affranchir de l'acquisition des images noires au cours de la nuit. Un compositage d'images noires, représentant un temps de pose cumulé important pour minimiser son bruit, est effectué une fois pour toutes (c'est le noir ‘générique'). Cette image est ensuite employée pour le prétraitement de toute image du ciel, même prise dans des conditions (temps de pose et température) différentes, de la manière suivante : le logiciel de traitement détermine, par itérations, le meilleur coefficient de réduction de ce noir générique avant de le soustraire de l'image brute. Cette méthode permet un gain de temps appréciable pendant la nuit et s'avère particulièrement utile lorsque la température du capteur n'est pas régulée.
c) La PLU : Dans le cas de l'imagerie planétaire (rapports F/D élevés), l'image peut être omise, moyennant certaines conditions. Les conséquences d'un rapport F/D élevé sont l'absence de vignetage (si le montage optique est correctement conçu) et des ombres de poussières petites et nettes. Si l'on prend soin de décaler l'instrument, entre chaque image, d'une valeur angulaire supérieure à la taille des ombres, un compositage (par médiane ou sigma-clipping) de 5 à 10 images recentrées permet d'éliminer ces ombres, et également de lisser les différences de sensibilité entre pixels (c'est la technique du ‘shift and add').
ET SI JE NE PRETRAITE PAS CORRECTEMENT MES IMAGES ?
Les conséquences d'un prétraitement absent ou défectueux sont en général désastreuses.
- Lorsque l'image est mal corrigée du signal thermique, des pixels trop brillants, ou au contraire trop sombres, constellent l'image. L'utilisation d'une telle image en astrométrie et surtout en photométrie est alors fortement compromise, sans parler évidemment de son aspect esthétique discutable.
- Lorsque l'image est mal corrigée de la PLU, ce qui est le cas le plus fréquent car réussir une bonne image de PLU n'est pas chose aisée, le fond de l'image n'est pas ‘plat'. Il subsiste des ombres de poussières, du vignetage, ou bien l'image ‘penche'. Un réglage correct des niveaux de visualisation est impossible puisque l'image apparaît brillante dans certaines zones et sombre dans d'autres. Il va de soi qu'une telle image est totalement inutilisable en photométrie.
