La photographie HDR appliquée à l'astronomie Jean-Marc Lecleire Cette page vient en complément de l'article sur la photo HDR paru dans le n° de janvier d'Astronomie Magazine et sur le renforcement du contraste des images lunaires à paraître dans l'Astronomie Qu'est-ce qu'une photo HDR ? Une photo HDR (de l'anglais High Dynamic Range ou image à dynamique étendue en
français) est une image à grande dynamique qui contient toutes les
informations lumineuses présentes dans une scène comportant à la fois
des sujets très lumineux et d'autres très sombres. Ce procédé permet de
photographier des scènes présentant de très grands écarts de
luminosité, impossibles à restituer avec des moyens photographiques
conventionnels. Cette technique, de plus en plus répandue chez les
photographes, peut être appliquée avec succès aux objets célestes. En savoir plus sur la photographie à grande gamme dynamique avec Wikipedia |
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Couronne solaire photographiée en HDR lors de l'éclipse totale de Soleil du 11 juillet 2010, observée à l'île de Pâques. Photo (C) JM Lecleire / HDRsoft |
La
technique HDR évite l'utilisation fastidieuse des calques et apporte la
solution au problème des images à grande dynamique : il suffit de
prendre plusieurs clichés du même sujet ou de la même scène avec des
temps d'exposition différents et régulièrement espacés (cette technique
est appelée "bracketing"), afin de reconstruire la dynamique complète
de la scène photographiée. Attention : l'ouverture ne doit pas varier
au cours du bracketing ; il est donc conseillé de travailler en mode
priorité à l'ouverture (Av)
Dasn la plupart des cas, en photographie de paysage, trois clichés bracketés (un cliché correctement exposé, un sous-exposé et un sur-exposé comme dans l'exemple ci-dessous) suffisent pour réaliser de magnifiques images HDR. Avec des sujets astronomiques comme les éclispes ou la lumière cendrée de la Lune, il est parfois nécessaire de prendre dix images bracketées pour couvrir toute la dynamique de la scène (on le verra plus bas sur cette page) !
Les images prises avec ces différents temps de pose sont ensuite importées dans un logiciel spécifique qui génère une image HDR.
Le logiciel qui a été utilisé pour réaliser les images présentées sur cette page est Photomatix Pro.
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En résumé, que ce soit en photographie classique
ou astronomique, la réalisation d'images à dynamique étendue s'effectue
en deux étapes :
Vous pouvez aussi consulter le tutoriel du logiciel Photomatix pour en savoir plus sur la création et le traitement des images HDR.
La photo HDR appliquée à l'astronomie
Le principal intérêt du HDR en astronomie est d'obtenir une image aussi proche que possible de l'aspect visuel perçu à l'oeil nu ou à l'oculaire d'un instrument (jumelles, lunette astronomie ou télescope).
Quartier de Lune et lumière cendrée : une image étonnante rappelant la vision aux jumelles !
Les
applications du HDR sont nombreuses en astronomie : la Lune, le Soleil
et les éclipses, les objets les plus brillants du ciel profond ainsi
que la Voie lactée. Hors contexte astronomique, la photo HDR est d'une
aide précieuse pour photographier des phénomènes atmosphériques comme
les halos, les arcs en ciel, les beaux nuages et autres crépuscules
flamboyants...
La Lune
La Lune est LE sujet astronomique de choix pour pratiquer la photographie à dynamique étendue.
Il y a trois façons d'utiliser Photomatix avec des images lunaires :
1.1/ La photo de la lumière cendrée en prise de vues bracketées
En
photographie traditionnelle, la faible dynamique du capteur
photographique (même en mode RAW) ne permet pas d'enregistrer en même
temps les détails de la partie brillante de la Lune, éclairée par le
Soleil, et ceux de la partie cendrée, éclairée par la réverbération des
rayons solaires sur la Terre. Deux jours avant ou après la nouvelle
lune, le croissant de Lune est environ mille plus lumineux que la
partie cendrée !
Aussi, pour obtenir un
cliché sur lequel apparaissent à la fois les détails de la partie
brillante et ceux de la partie sombre, il est nécessaire d'adapter les
temps d'exposition à ces écarts de luminosité. Par exemple, avec une
lunette à F/D=9 et un appareil photo réglé sur 400 ISO, le temps de
pose correct pour le croissant éclairé est 1/30s ; celui pour la
lumière cendrée est mille fois plus long, soit 30s. Il n'est pas
nécessaire de prendre un cliché pour chacun des temps de pose
intermédiaires entre ces deux extrêmes. En pratique, on peut générer
une image HDR à l'aide d'images ayant un écart de 2 IL, c'est-à-dire
dont les temps d'exposition ont un rapport de 1 à 4.
Ci-dessus : pour réaliser cette photographie HDR de la lumière cendrée, 6 clichés réalisés ont été fusionnés. On a réalisé une première image au 1/30s, puis une seconde image avec un temps de pose 4 fois plus long : 1/8s (soit + 2 I.L.), et ainsi de suite : 1/2s, 2s, 8s et 32s (ou 30s, qui correspond à une valeur de l'appareil photo). Lunette fluorite de 102 mm de diamètre et 900 mm de focale et appareil numérique Canon 40D.
L'utilisation
d'un plus grand nombre d'images permet de diminuer le bruit de fond de
l'image finale, mais risque en même temps de dégrader le piqué en
raison des effets de la turbulence (les images déformées par
l'agitation atmosphérique ne sont plus parfaitement superposables).
Avant
de les fusionner à l'aide du logiciel de HDR, les images doivent être
préalablement alignées. En photographie conventionnelle, le logiciel
peut se charger de corriger les petits défauts d'alignement ou
d'orientation, mais dans le cas de la lumière cendrée, il est
préférable de procéder soi-même à l'alignement des différentes images.
Le recentrage des images lunaires peut se faire manuellement à l'aide
d'un logiciel de retouche d'image ou automatiquement grâce à l'outil de
"registration" des logiciels comme Iris, Prism ou Registax. Important :
toutes les images doivent avoir les mêmes dimensions (hauteur et
largeur) pour pouvoir être importées dans le logiciel de photo HDR.
Dans tous les cas, il est préférable de disposer d'une monture équatoriale motorisée correctement mise en station et dotée d'un suivi lunaire pour réduire au maximum les déplacements de l'image au cours du bracketing.
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1.2/ La photographie HDR des phases de la Lune à partir de prises de vues bracketées
On
peut également appliquer la technique HDR décrite ci-dessus aux phases
de la Lune. Cela permet d'obtenir des clichés parfaitement
harmonisés entre les hautes lumières (éjectas de cratères) et les
parties sombres (terminateur lunaire) et aussi de créer des images aux
effets suréalistes. Il suffit de prendre trois clichés dont les temps
d'exposition sont espacés d'au moins 1 IL. Par exemple : si le bon
temps de pose pour photographier un premier quartier est de 1/60s, vous
pouvez réaliser une seconde photo sous-exposée (-1 I.L.) au 1/125s et
une troisième image surexposée (+1 I.L.) au 1/30s. Les trois photos
combinées permettent d'obtenir une superbe image HDR de la Lune.
Le traitement tone mapping des images HDR doit être utilisé avec modération si l'on souhaite obtenir des résultats réalistes. Une utilisation trop poussée des réglages procure des effets graphiques plus proches de la peinture ou de la gravure que la photographie (image ci-dessous).
2/ Boostez le contraste de vos images lunaires avec le tone mapping de Photomatix
Pour plus d'infos sur le tone mapping, suivre ce lien (article Wikipedia en anglais)
Quand
on ne possède pas de photos bracketées de la surface lunaire, on peut
néanmoins travailler à partir de fichiers FITS enregistrés en 16-bits
(format standard utilisé pour les images astronomiques, lisible par les
principaux logiciels de traitement d'images comme Prism, Iris ou
Registax). C'est le cas de la majorité des images acquises avec des
caméras CCD ou résultant du compositage de séquences vidéo (caméras
DMK, Lumenera ou webcams).
Le tone mapping peut être
utilisé efficacement avec des images 16-bits monochromes (qui peuvent
être considérées comme des images « pseudo-HDR ») générées
par des logiciels de traitement d'images astronomiques tels que Iris,
Prism ou Registax, pour ne citer qu'eux. La technique fonctionne bien
sûr avec tous les types de clichés astronomiques, mais c'est avec des
images de la Lune que l'effet est le plus saisissant.
Ci-dessus
: illustration de l'effet « tone mapping » sur une image de
la région du cratère Copernic obtenue avec un télescope de 250 mm de
diamètre équipé d'une caméra vidéo. A gauche, l'image est traitée avec
un masque flou à l'aide du logiciel Iris. A droite, la même image
« tone mappée » à l'aide de Photomatix. Les parties grises de
l'image gagnent en contraste, tout en conservant le niveau de détail
initial et sans augmenter non-plus le grain de l'image. Notez la
différence de contraste au niveau des éjectas.
En
effet, en comprimant la dynamique des images lunaires, le tone mapping
adoucit à la fois les zones claires, laissant ainsi apparaître des
détails habituellement noyés dans la clarté (zones fortement éclairées
comme les remparts de cratères ou les éjectas), et éclaircit les
régions sombres (ombres, régions proches du terminateur, mers
lunaires), révélant de nombreux détails peu contrastés. Il en résulte
une harmonisation parfaite des lumières et une accentuation
significative de la quantité de détails de l'image.
En pratique...
Le
logiciel Photomatix n'étant pas en mesure d'ouvrir les fichiers FITS
utilisés par les logiciels d'astronomie, il est nécessaire de les
convertir au format TIFF-16 bits au préalable.
Note : dans l'exemple suivant, on utilise le logiciel gratuit Iris : http://www.astrosurf.com/buil/iris/iris.htm
La première étape consiste à préparer une image de la Lune avant de la traiter avec le tone mapping.
Pour
que l'opération soit concluante, l'image doit posséder une dynamique de
16-bits, soit 32767 niveaux de gris. Si c'est une image de la Lune
résultant du compositage d'images brutes 8-bits (256 niveaux de gris),
il sera nécessaire d'empiler au moins 128 images brutes pour atteindre
la bonne dynamique. Si le nombre d'images est plus grand, le logiciel
Iris se chargera de normaliser automatiquement l'image compositée à
32700 niveaux de gris.
Remarque : avec des images brutes codées sur 12-bits, il suffit théoriquement de compositer huit images..
Les
instruction suivantes sont à taper directement dans la fenêtre
« commandes » d'Iris (le texte entre parenthèses correspond à
des remarques)
>MULT .85 (on multiplie la dynamique de l'image par 0,85 avant de procéder au masque flou)
>UNSHARP .7 30 1 (masque flou avec finesse = 0,70, contraste = 30 et 1 = type planétaire)
>CLIPMIN 0 0 (écrêtage min consistant à rendre toutes les valeurs de l'image positives)
>OFFSET 1000 (facultatif : à utiliser si des points blancs apparaissent dans l'image TIFF après sauvegarde)
>SAVETIFF nom_de_votre_image (sauvegarde l'image au format TIFF 16-bits)
Remarques
: il arrive parfois que des points blancs apparaissent après sauvegarde
de l'image au format TIFF 16-bits depuis Iris . Dans ce cas, il faut
introduire un offset avant sauvegarde. De même, il est préférable
d'effectuer le traitement de renforcement de la netteté (ondelettes ou
masque flou) avant de traiter l'image avec le tone mapping.
Ci-dessus
: exemple de capture d'écran du logiciel Iris. Les instructions ont été
entrées manuellement dans la fenêtre « commande ». L'image a
été sauvegardée au format TIFF (16-bits)
Une
fois l'image sauvegardée au format TIFF, on l'ouvre avec Photomatix (on
peut faire glisser le fichier depuis l'explorateur sous Windows ou le
Finder sous Mac directement vers la fenêtre du logiciel), puis on
clique sur le bouton tone mapping.
Ci-dessus
: capture d'écran du logiciel Photomatix après avoir ouvert une image
de la Lune au format TIFF 16-bits. Pour démarrer le traitement, on
clique sur le bouton « Tone mapping » situé dans la barre
d'outils latérale.
L'écran suivant montre l'aperçu de l'image avec le tone mapping.
La
palette de réglages permet d'ajuster finement et d'optimiser les
paramètres en fonction de chaque sujet photographié. Une fois les
paramètres déterminés, on peut les sauvegarder pour les réutiliser plus
tard avec d'autres images.
Pour vous exercer, vous
pouvez télecharger l'image pré-traitée (masque flou et écrêtage déjà
effectués) au format TIFF 16-bits : IMAGE__LUNE_TIFF
Le fichier contenant les paramètres qui utilisés pour traiter l'image proposée ci-dessus peut être téléchargé ici : lune_traitement_dur.xmp
Pour voir le fichier de paramètres apparaître dans le menu déroulant "pré-réglages" du tone mapping, il suffit de copier le fichier .xmp dans le dossier "presets" du répertoire où est installé Photomatix (C:\programmes ou program files sous Windows) comme sur la copie d'écran suivante :
Ci-dessus
: le tone mapping donne également de bons résultats avec des images en
couleurs. Ci-dessus, une image de la région du cratère Kepler (à
gauche) obtenue en trichromie. L'application du tone mapping (à droite)
révèle des myriades de craterlets à la surface de l'océan des Tempêtes
et dans les éjectas du cratère Kepler.
Ci-dessus
: l'effet du tone mapping est très intéressant au niveau du terminateur
lunaire, car il révèle les plissements et autres collines de faible
altitude peu contrastés.
A gauche, l'image d'origine ; à droite, l'image après application du tone mapping.
Cliquez ici pour voir d'autres exemples de photographies lunaires traitées avec le tone mapping
3/ Utilisation de la fusion d'expositions pour harmoniser les images des phases de la Lune
Il est parfois délicat d'effectuer une harmonisation correcte d'un cliché de Lune. Comment faire pour mettre en évidence les détails sombres situés près du terminateur tout en évitant de saturer le limbe et les traînées rayonnantes ?
Il existe un outil appelé Fusion d'expositions, et qui réalise cette opération de manière très rapide et efficace. Après avoir fait glisser deux ou trois clichés bracketés du sujet à traiter dans Photomatix, on sélectionne la fusion d'exposition. Le panneau suivant s'affiche alors et sert à déterminer les réglages. Vous pouvez essayer plusieurs méthodes et garder celle qui vous donne les meilleurs résultats. La méthode "Ombres & Lumières - Ajuster" est, en général, celle qui fonctionne le mieux avec les images lunaires.
Une fois les bons réglages déterminés, cliquer sur "Fusionner" pour terminer le travail. Et voilà !
Ci-dessus : deux images du dernier quartier sont fusionnées pour obtenir un cliché parfaitement harmonisé. Sur l'image de gauche, plus sombre, l'exposition est correcte pour le limbe et les cratères les plus clairs de l'image. L'image du centre est correctement exposée pour le terminateur lunaire. L'image finale (à droite) résulte de la fusion des deux clichés.
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Les images à fusionner doivent avoir les mêmes dimensions. Il n'est pas forcément nécessaire de pré-aligner les images avant de les traiter car le logiciel de fusion est en mesure de corriger les petits défauts d'alignement entre les clichés.
Le Soleil
On
applique ici la même méthode que pour les images (16-bits) de la Lune
prises avec des caméras vidéos ou CCD. Le tone mapping donne des
résultats très satisfaisants avec les images solaires réalisées en
lumière H-alpha. Le procédé permet de montrer à la fois les
protubérances au limbe et les détails de la surface solaire sans avoir
recours à un montage ni utiliser les calques de Photoshop (ou GIMP).
Ci-dessus : exemples d'images de protubérance solaires observées en lumière h-alpha à l'aide d'un PST Coronado. Les images 16-bit monochromes ont été traitées à l'aide du tone mapping de Photomatix.
Tache solaire et structures de la chromosphère en lumière h-alpha. Le tone mapping renforce un peu le contraste des filaments, mais l'effet est moins intéressant qu'avec les photos de la surface lunaire.
La photographie des éclipses de Lune et de Soleil en HDR
Les éclipses sont des sujets de choix pour les amateurs de
photographies à dynamique étendue. En effet, ces phénomènes célestes
présentent de très grand écarts de luminosité et la technique du HDR
est la seule capable de restituer l'aspect visuel et la beauté du
spectacle.
Voici une image HDR de la couronne solaire prise lors de l'éclipse totale de Soleil du 11 juillet 2010 à l'île de Pâques (cliquez sur la photo pour l'agrandir) :
Au moment de la prise de vues, on utilise ici la technique du
bracketing afin de prendre un grand nombre de clichés avec des temps de
pose échelonnés, de manière à couvrir toute la dynamique du sujet
(écart supérieur à 10 I.L. dans le cas d'une éclipse solaire)
Eclipse
totale de Soleil photographiée en HDR. Images extraites d'une
vidéo tournée au camescope numérique en Turquie le 29 mars 2006. Les temps d'exposition ont varié au cours de l'acquisition vidéo.
Vous pouvez voir la séquence vidéo correspondante sur YouTube :
Cliquez sur "play" pour lancer la lecture de la vidéo. Les vibrations sont dues au fait que le camescope était tenu à la main !
Vous aimez les images d'éclispes de Soleil ? |
Voici un exemple de photo HDR de l'éclipse partielle de Lune du 16 août 2008, réalisé par Jacques Joffre
L'aspect après tone mapping est très similaire à celui observé visuellement à travers une grosse paire de jumelles.
Notez la frange bleutée qui parque le frontière entre la portion
éclairée et la partie sombre de la Lune. Photo (C) J. Joffre
La photo HDR appliquée aux objets du ciel profond
L'emploi
de la photo HDR et du tone mapping d'un grand secours avec les objets
brillants et contrastés du ciel profond, comme la grande nébuleuse
d'Orion M42 ou les amas globulaires. Ces objets célestes posèdent
un centre très brillant et une périphérie beaucoup plus faible. Le
plus simple consiste à réaliser plusieurs images ayant le même cadrage
mais avec des temps d'exposition différents : poser quelques secondes
pour le centre de la nébuleuse et quelques minutes pour les extensions
lointaines. La fusion des images ainsi obtenues par le logiciel de
photo HDR simplifie le travail d'harmonisation. En effet, la technique
est à la fois plus fiable et plus rapide que l'utilisation des calques
disponibles dans les logiciels de retouches d'images (Photoshop, GIMP).
Voir un exemple de bracketing sur la nébuleuse M42 sur le forum Astrosurf par "Skywatcher"
Le Cœur de M42, la grande nébuleuse d'Orion, photographiée au foyer d'un télescope de 400 mm de diamètre à F/D=3,65. Seule la couche de luminance a été traitée à l'aide du tone mapping (voir la technique n°2 utilisée pour le traitement des images lunaires). La couleur, obtenue en trichromie à l'aide de filtres rouge, vert et bleu, a été superposée à l'image de luminance.
Vous pouvez aussi admirer le superbe travail sur M42 publié sur cette page du forum Astrosurf en mars 2009 par "Pulsar67"
Autre exemple de tone mapping réalisé sur une image CCD du coeur de la galaxie d'Andromède M31 (on voit seulement la partie centrale) :
A gauche, image "classique" montrant le noyau saturé autour duquel il est difficile de deviner l'amorce des bras spiraux. A droite, la compression de la dynamique par le tone mapping désature le centre de l'image et rehausse la visibilité des détails dans la périphérie.
La
Voie Lactée peut également être photographiée en HDR. Le tone mapping
renforce le contraste entre les nuages d'étoiles brillants et les
échancrures sombres qui parcourent la bande laiteuse. Dans ce cas,
comme avec les objets du ciel profond, il faut penser à prendre ses
clichés au format RAW et réaliser des darks, afin de faire disparaître
les pixels chauds, avant de générer des images HDR. Vous trouverez
toutes les informations nécessaires dans le tutoriel du logiciel IRIS sur le site de Christian Buil. (voir aussi ce lien : http://astrosurf.com/buil/iris/tutorial2/doc9_fr.htm)
Photographie HDR de la Voie lactée traversant la constellation du Cygne, réalisée en fusionnant des clichés réalisé avec des temps de pose différents (technique du bracketing)
La photo HDR appliquée aux halos et "couronnes" solaires et lunaires
Les halos et couronnes sont des phénomènes atmosphériques colorés qui apparaissent autour du Soleil ou de la Lune. De ce fait, ils sont difficiles à photographier en raison de la présence d'un astre très (trop) lumineux au centre du champ. La technique du bracketing permet de réaliser des photos HDR harmonieuses de ces phénomènes et évite la surexposition excessive.
Ci-dessus
: couronne lunaire photographiée en HDR. Les cercles concentriques
irisés sont causés par la présence de nuages d'altitude. Pour réaliser
cette image, on a utilisé 6 images bracketées dont les temps
d'exposition sont échelonnés entre 1/250s et 5s. A droite, un GIF animé
montrant les différents clichés utilisés
Ci-dessus : photographies HDR de halos solaires réalisées à l'aide d'un objectif fish-eye. Remarquez le premier plan correctement exposé malgré le contre-jour et la présence du Soleil au milieu de la photo.
La photo HDR appliquée aux crépuscules / levers et couchers de Soleil
Si vous aimez admirer les teintes d'unlever ou d'un coucher de Soleil, la photo HDR peut vous aider à immortaliser ce spectacle coloré. La technique du bracketing est utilisée. Ne pas hésiter à fusionner huit à dix images quand vous travaillez au grand angle ou au fish-eye car les écarts de luminosité sont très importants au cours du crépuscule.
Ci-dessus
: à gauche, m'aude en montagne photographiée au fish-eye depuis la cîme
de la Bonette, dans le parc du Mercantour. La photo HDR offre ici un
réalisme saisissant, à la fois au niveau de la luminosité et des
couleurs. Photo : K. Lecleire. A droite, couleurs crépusculaires
après le coucher du Soleil sur la route du Restefond.
Ci-dessus et à gauche : trois images du coucher de Soleil montrant de sompteuses colorations. Les clichés bracketés (3 par image) ont été fusionnés pour créer des images HDR. |
Toutes les images de cette page été réalisées à l'aide de la version 3.2 du logiciel Photomatix Pro.
A propos de Photomatix Pro
Photomatix Pro est un logiciel français et peut être téléchargé à partir du site : www.hdrsoft.com/fr
Il est utilisable gratuitement et sans limitation de durée en version d'essai,
mais un filigrane apparaît alors sur les images enregistrées. Cela
permet néanmoins de le tester pour se faire une idée de ses capacités
(y compris en photo conventionnelle, bien entendu !). L'achat d'une
licence se fait en ligne à partir du site internet et coûte 70€ HT. On
peut alors créer autant d'images que l'on souhaite et retirer les
filigranes présents sur les images générées en version d'essai.