Binning 1x vs 2x ... avec une très grande focale
Le binning est une opération permettant de grouper lors de l'acquisition le signal de plusieurs pixels adjacents. Il est ainsi possible de regrouper les pixels 2x2, 3x3 ou plus. Le résultat est un pixel virtuel plus grand et donc de plus grande sensibilité.
Cette plus grande sensibilité est bien utile lors de la recherche d'un objet, pour peaufiner le cadrage et lors d'utilisation de filtres interférentiels à bande étroite, type Ha, OIII et SII. Il est ainsi possible en quelques secondes de pose de visualiser des objets extrêmement faibles.
Mais bien sûr, le pixel résultant étant plus grand, la résolution chute de 2x en binning 2x, de 3x en binning 3x, etc.
En acquisition, pour garantir la pleine résolution, il est recommandé de travailler en binning 1x. Mais lorsque la focale augmente, la sensibilité à la turbulence et aux défauts de suivi augmente aussi et limite rapidement les performances au seeing de la nuit. Pour mon site d'observation, la turbulence est classiquement de l'ordre de 3".
Utilisant mon C14 à f/11 pour l'homogénéité du champ en format 24x36, la focale primitive est vraiment très grande : 3,9 mètres ! Aussi, la question de l'intérêt du binning 1x en acquisition s'est vite posé avec ma STL11000M. A f/11, le scope n'est pas très lumineux et l'échantillonage résultant de 0,47" par pixel est très éloigné des 3" pratiques... D'où la question suivante : ne serait t'il pas plus judicieux à cette focale de réaliser les acquisitions en binning 2x avec donc une sensibilité accrue, avec un échantillonnage dégradé à 0,97" mais encore confortable et le tout avec des fichiers 4 fois plus légers ? Le résultat serait-il très éloigné en finesse par rapport à l'image en binning 1x réduite de 50%, donc avec le même nombre de pixels ?
L'objet de cet article est d'apporter des éléments chiffrés, non subjectifs, à cette problématique.
J'ai choisi comme cible d'un soir la nébuleuse planétaire du Hibou M97. J'ai donc pointé le C14 à f/11 muni de la caméra CCD STL11k vers cet objet. J'ai ensuite réalisé dans la même heure trois poses en binning 2x puis trois en 1x (10min à t°-30°C).
Les images ont été traitées en offset et dark sous maximDL. Les images finales ont été recadrées sur la région centrale pour ne conserver que la nébuleuse et quelques étoiles périphériques.
Les caractéristiques des acquisitions sont les suivantes :
Binning |
Taille pixel |
Echantillonage |
Taille image |
Poids fichier |
Downloading |
1 x |
9 µm |
0,47" |
4008 x 2672 |
20,9 Mo |
26 s |
| 2 x |
18 µm |
0,95" |
2004 x 1336 |
5,2 Mo |
7 s |
Ensuite, il est extrait les images suivantes :
1) de l'image acquise en binning 1x, une image réduite en taille de moitié (2x) par logiciel (MaximDL),
2) de l'image acquise en binning 1x, une image réduite par binning 2x à partir du logiciel Iris,
3) de l'image acquise en binning 1x, une image de même taille mais amplifiée d'un facteur 2 par logiciel (Iris),
4) de l'image précédente, une image réduite en taille de moitié (2x) par logiciel (MaximDL),
5) de l'image acquise en binning 2x, une image agrandie en taille d'un facteur 2x par logiciel (MaximDL),
6) de l'image acquise en binning 2x, une image de même taille mais amplifiée d'un facteur 2 par logiciel (Iris).
Ouf ! avec les deux images d'origine en binning 1x et 2x, cela fait huit combinaisons testées...
Sur les images précédentes, j'ai choisi quatre étoiles pour en mesurer la finesse.
Pour chacune d'elle, la FWHM en pixel a été mesurée. Cette caractéristique calcule la largeur à mi-hauteur de la réponse de l'étoile, assimilable à une gaussienne. Plus elle est faible, plus l'étoile est fine.
Il ressort (données en pixels) :
Type d'iImage |
Etoile 1 |
Etoile 2 |
Etoile 3 |
Etoile 4 |
Moyenne |
Taille image |
Binning 1 x |
8,2 |
6,2 |
5,4 |
4,5 |
6,1 |
4008 x 2672 |
B. 1 x réduite 50% |
4,3 |
3,2 |
3 |
2,8 |
3,3 |
2004 x 1336 |
B. 1x binnée 2x |
9,2 |
5,7 |
3,3 |
2,7 |
5,2 |
2004 x 1336 |
B. 1x amplifiée 2x |
14 |
7,8 |
5,5 |
5,3 |
8,1 |
4008 x 2672 |
B. 1x amplifiée 2x réduite 2x |
6,5 |
4,1 |
2,9 |
2,7 |
4,0 |
2004 x 1336 |
Binning 2x |
4,8 |
3,1 |
2,7 |
2,8 |
3,3 |
2004 x 1336 |
Binning 2x agrandie 200% |
9,4 |
6,0 |
5,6 |
5,3 |
6,6 |
4008 x 2672 |
Binning 2 x amplifiée 2x |
8,2 |
5,4 |
3,1 |
2,6 |
4,8 |
2004 x 1336 |
On note :
1) l'image en full résolution, donc sans binning, donne des étoiles empâtées, de FWHM assez grossière.
2) la réduction de 50% de l'image précédente améliore significativement la finesse (x2) mais pour une image finale deux fois plus petite...
3) l'image acquise en binning 2x donne une finesse et taille d'image équivalente à l'image en full réduite de 50%.
4) amplifier ou binner par logiciel dégrade la finesse par rapport aux images en binning 1x ou 2x.
Pour quantifier le gain en sensibilité du binning 2x par rapport au 1x, un profil d'intensité passant par la nébuleuse est relevé entre deux étoiles repères. Les intensités en chaque point de la coupe sont enregistrées et exploitées sous un tableur.
Il ressort les profils suivants (exemples) :
 |
 |
|---|---|
Profils non normalisés |
Profils normalisés à 4600 (niveau du binning 1x) |
A partir des coupes, sont extraites les données suivantes :
1) le niveau maxi du signal sur l'objet (moyenné sur +/- 10 pixels),
2) le niveau de fond moyen du signal (moyenné sur 150 pixels),
3) le bruit de fond rms (sur les 150 pixels précédents),
Des données précédentes est calculé le rapport signal maxi/fond (donnée 1 / donnée 2) et le rapport signal sur bruit RSB (donnée 1 / donnée 3). J'ai aussi calculé un rapport entre la qualité de la détection donnée par le RSB et la finesse d'image donnée par la FWHM moyenne de l'image.
Tableau récapitulatifs des valeurs :
Type d'image |
Niveau maxi |
Niveau fond |
Bruit fond rms |
Maxi - fond |
Maxi / fond |
RSB |
RSB / FWHM |
Binning 1 x |
5095 |
4604 |
46 |
491 |
1,11 |
10,7 |
1,8 |
B. 1 x réduite 50% |
5080 |
4609 |
34 |
471 |
1,10 |
14,0 |
4,2 |
B. 1x binnée 2x |
20405 |
18431 |
128 |
1974 |
1,11 |
15,4 |
3,0 |
B. 1x amplifiée 2x |
10162 |
9208 |
96 |
954 |
1,10 |
9,9 |
1,2 |
B. 1x amplifiée 2x réduite 2x |
10170 |
9220 |
65 |
950 |
1,10 |
14,5 |
3,6 |
Binning 2x |
9624 |
8649 |
42 |
975 |
1,11 |
23,4 |
7,0 |
Binning 2x agrandie 200% |
9625 |
8649 |
35 |
976 |
1,11 |
27,8 |
4,2 |
Binning 2 x amplifiée 2x |
19306 |
17356 |
104 |
1950 |
1,11 |
18,8 |
3,9 |
On note que :
1) que le niveau de détection (max/fond) est constant (1,11) quelque soit les combinaisons. Il est uniquement lié au temps de pose et à la qualité du fond de ciel (pollution lumineuse).
2) le fait de réduire l'image en taille de 50% améliore le bruit de fond de racine de 2.
3) amplifier les niveaux de l'image en binning 1x d'un facteur 2 permet d'atteindre le même signal utile qu'en binning 2x (954 pour 974). Mais aussi au détriment d'un bruit amplifié de 2x (96), et donc 2x plus important que l'image en binning 2 (42)...
4) réaliser un binning 2 par logiciel sur l'image acquise en 1x permet d'atteindre un signal double à celle acquise en binning 2x. Le niveau de base est bien multiplié par 4. Mais avec un bruit 3x plus fort...
5) le passage en binning 2x permet de doubler le signal utile (max-fond). On remarquera aussi que le signal objet augmente un peu plus vite que celui du fond de ciel. Preuve que mon fond de ciel n'est pas (encore) complètement pourri par la pollution lumineuse. Mais on est loin du gain théorique de 4x. Sous un ciel parfait peut être...
Pour faciliter l'analyse, je n'ai ressorti sous forme graphique que les deux données vraiment importantes, le rapport signal sur bruit RSB et la finesse d'image FWHM mesurée précédemment.
 |
|---|
Rapport signal sur bruit (RSB) et finesse d'image (FWHM) |
 |
|---|
RSB et RSB/FWHM comparés au binning 1x pris en référence (1) |
On note des deux graphes précédents :
1) Les solutions en binning 2x globalement mieux placées que celles en binning 1X,
2) Le meilleur couple RSB/FWHM est obtenu avec le binning 2x (facteur 4).
3) Amplifier 2x le signal issu du binning 1x dégrade les choses par rapport au binning 1x.
4) réduire de 2x une image quelque soit son "histoire" améliore 2x la finesse et le RSB dans une moindre mesure.
Les mesures le montrent clairement : avec une très grande focale, le sur-échantillonage en binning 1x n'apporte rien. Il est même dommageable dans la mesure où il crée un empattement des images. Il n'est donc pas étonnant de constater que les images prises avec de grandes focales soient majoritairement présentées avec une taille réduite..
Pour une même taille d'image, une acquisition réalisée en binning 2x donne une finesse d'image équivalente.
Avec des avantages non négligeables : une sensibilité accrue d'un facteur deux pour mon site pollué, un fichier quatre fois moins lourd à transférer et ... à traiter !
En astrophotographie, le fameux coefficient de sur-échantillonage de 2 à 3 (Nyquist) avec la résolution pratique du site (turbulence) se confirme comme étant un très bon compromis... Dans mon cas, l'échantillonage de 0,95" pour une turbulence nocturne de 3" en moyenne constitue donc un optimum .... pour les 3,9 mètres de focale du C14.
Il faudrait être fou de s'en priver !