N'ayez pas peur des caméras CCD

Le traitement numérique des images (III)

Une fois le fastidieux travail d'acquisition terminé et les images téléchargées dans votre ordinateur, augmentant encore de quelques mégabytes l'occupation de votre disque, vous êtes encore loin d'avoir achevé votre travail.

Comme dans la chambre noire de nos grands-parents, vous n'avez encore réalisé que la moitié du travail. La seconde partie consiste à corriger vos images brutes avec la contrainte supplémentaire que les images numériques sont sensibles au bruit électronique et aux autres parasites, autant de signaux que nous devrez supprimer si vous voulez prétendre à quelque résultat de qualité.

Je ne peux matériellement pas vous présenter sur ce site un cours complet de traitement d'image, que par ailleurs d'autres sites, souvent anglophones, ont essayé de réaliser à une petite échelle. Je ne peux que résumer la procédure à suivre pour traiter une image en vous présentant les étapes clés du processus. Dans d'autres dossiers, en particulier ceux rassemblés dans la section anglaise Digital Darkroom, je discuterai de certaines étapes en particulier. 

Pour des raisons purement pratiques, je continuerai à employer certains mots empruntés à l'anglais en prenant soin de rappeler leur traduction française. Cela vous permettra de comprendre plus facilement lex textes anglais techniques que vous seriez amenés à lire sur le sujet.

Le traitement numérique d'une image astronomique se divise habituellement en deux étapes clés :

- le pre-processing durant lequel les images sont calibrées

- le post-processing durant lequel les images sont digitalement corrigées.

Dans les deux cas, le but poursuivi est de supprimer les défauts et autres dominances visibles dans les images, les effets parasites induits par le système de prise de vue et d'accentuer tous les détails dans la mesure où ils peuvent améliorer la qualité générale du document.

Le pre-processing ou calibration

La première étape de notre traitement numérique est le "pre-processing" ou calibration, une étape indispensable pour les applications photométriques ainsi que pour toutes les prises de vue réalisées dans des conditions de faible éclairement : les objets planétaires et le ciel profond. 

Cette étape n'est pas obligatoire si la brillance et le contraste du sujet vous permettent de réaliser des prises de vue instantanées, si la qualité des images ne souffre pas du bruit électronique ou si l'objet se déplace rapidement. En général seule la photographie de la Lune en haute résolution satisfait à ces critères.

Images "noires" d'une caméra CCD respectivement refroidie à -10, -20, -30 et -40°C. Toutes les points sont en réalité des parasites créés par le système électronique ! Chaque fois que la température diminue de 5° ce bruit thermique diminue de moitié. Ces images en sont la parfaite illustration.

La calibration consiste à réaliser deux images supplémentaires en plus de celle du sujet dans le but de soustraire toutes les erreurs imputables à l'électronique et éventuellement au système d'entraînement. Ces images consistent en : 

- une image noire ou "dark frame" qui s'obtient en réalisant, en l'absence de lumière, une image durant la même durée et aussi proche que possible dans le temps de l'image originale. Car même maintenue dans une atmosphère froide le chip CCD présente une réponse thermique qui génère des photons parasites. Cette image noire contient également le bruit de biais ou "bias" généré par le bruit systématique des composants électroniques et le bruit thermique décrit ci-dessus.

- une image de champ plat ou "flat field frame" (FFF) obtenue en photographiant une surface également éclairée dans les mêmes conditions de prise de vue que l'image originale (même télescope, orientation de la caméra, mise au point, filtre, projection). Cette FFF est difficile à obtenir aussi beaucoup d'amateurs se contentent de photographier le ciel au crépuscule ou, mieux, un écran diffusant uniformément illuminé ou même une toile claire uniformément éclairée tendue devant le télescope. Cette image permet d'enregistrer le vignettage, les ombres produites par les poussières sur les surfaces proches du détecteur (filtre, etc) et d'autres variables comme les différences de sensibilité à la lumière des pixels qui modifient l'efficacité quantique du détecteur CCD.

Une fois soustraite (divisée) des images brutes originales, le résultat est ce qu'on appelle une image calibrée corrigée pour toutes les irrégularités et bruits présents dans les images. Cette étape peut toutefois affecter la qualité pictographique du résultat car les images calibrées contiennent également du bruit aléatoire qui leur sont propres. Aussi, à des fins photométriques ou si vous recherchez la plus haute résolution, vous pouvez également additionner plusieurs images noire et de champ plat qui seront ensuite moyennées et supprimées des images brutes pour obtenir de meilleurs résultats. Cette étape ne peut pas être écartée car c'est d'elle que dépend la qualités ultérieure des images.

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M45 Chris Vaughn, AA6G B33, la Tête de cheval Okano Kunihiko M57 Michel Peyro

Le post-processing ou traitement d'image

Une fois en possession de cette précieuse image calibrée vous pouvez passer à la seconde étape qui consiste au traitement d'image ou "post-processing" proprement dit. Cela consiste à tirer profit de fonctions numériques dont les actions sont identiques à celles qu'on utilise en chambre noire telle que le masque flou ou la modification du gamma pour faire ressortir les hautes fréquences spatiales et accroître les détails à la fois dans les zones brillantes et les zones sombres. Une fois corrigée les objets les plus brillants pourront être traités avec un algorithme de Lucy-Richardson ou VanCittert tandis que les fonctions d'Entropie Maximale et de Convolution seront très utiles pour faire ressortir les détails des objets pâles qui présentent un faible rapport signal/bruit. Enfin, l'algorithme de Wiener donne de très bons résultats sur tous les objets du ciel profond en augmentant la définition de l'image. Un autre truc est la restauration de l'image afin d'augmenter la netteté de l'image CCD originale.

Enfin, et c'est surtout valable en photographie planétaire, vous pouvez extraire l'objet de son arrière-plan de toutes les images. A présent vous pouvez recentrer le sujet, enregistrer les points de référence de chacune image (des zones caractéristiques bien identifiables) afin de pouvoir les combiner pixel par pixel et créer soit une image composite (juxtaposition d'images en haute résolution d'un objet trop étendu pour tenir sur une seule image) soit pour créer une nouvelle image bien plus détaillée résultant du compositage de toutes les images individuelles. Vous pouvez également animer vos images individuelles ou effectuer une réduction astrométrique.

Si en photographie du ciel profond on se limite en général à additionner une poignée d'images individuelles (entre 3 et 5 avec un maximum d'une centaine d'images RGB à longues poses pour les plus courageux), en photographie planétaire à haute résolution, de bons résultats exigent souvent le compositage d'un grand nombre d'images, parfois dépassant 1000 images individuelles ainsi que nous l'expliquerons page suivante à propos des techniques vidéo. Nous reviendrons également sur le sujet dans d'autres chapitres, surtout lorsque nous discuterons du rapport signal/bruit et de la photographie de Mars durant les oppositions périhéliques.

Images RGB et LRGB Lorsque les amateurs parlent d'image LRGB, en théorique ils pensent à un traitement plus sophistiqué que la simple addition de quatre images monochromes, 1N/B + 1R + 1G + 1B. Si l'on fait bien les choses, pour augmenter le rapport signal/bruit, réduire la turbulence et les autres défauts, les images RGB doivent être combinées à partir de quelques dizaines d'images monochromes. Le nombre n'est pas important, et dans certains cas une seule image RGB suffit. Mais habituellement la plupart des amateurs préfèrent additionner plusieurs images RGB ensembles pour ne pas subir les déformations induites par la turbulence sur une seule image (1R+1G+1B).  Ensuite cette image RGB est combinée avec une image de luminance. Cette dernière apporte le contraste au compositage RGB, sans laquelle l'image résultante paraît bien évidemment mais manque de profondeur, de netteté. Image LRGB de Mars prise le 23 août 2003 par Jacques-André Regnier avec un Celestron Nexstar 5 (127mm f/58) équipé d'une  Powermate 5x et d'une webcam Philips Vesta Pro. Cette image résulte de l'addition de 800 images RGB et de 800 images N/B (L). L'image de luminance devrait être obtenue en combinant entre quelques dizaines et plusieurs centaines d'images N/B individuelles. C'est particulièrement important lorsqu'on photographie des surfaces très détaillées comme les planètes (Mars, Jupiter, Saturne et dans une moindre mesure le croissant de Vénus ou de Mercure).  L'image finale resulte de la combinaison de toutes ces images individuelles.

Le logiciel fournit avec votre caméra CCD devrait permettre de réaliser toutes les fonctions précitées jusqu'à la création de l'image calibrée. Le traitement d'image nécessitant une grande latitude de manoeuvres et assez bien d'expérience, je vous conseille d'acquérir tout d'abord un logiciel gratuit ou shareware comme Astrostack ou IRIS par exemple et une fois que vous vous aurez fait la main, passez éventuellement à un produit plus performant comme Picture Windows Pro, Photoshop, MaxImDL ou encore MIRA. Ainsi que je l'explique dans les pages anglaises consacrées à la revue des logiciels de traitement d'image, ces produits sont chers mais ils ont le mérite d'être puissants et relativement facile à utiliser, ils sont compatibles avec de nombreux formats d'images et très complets.

Terminons avec un bon conseil. Si vous ne maîtrisez pas les techniques de traitement d'image, un moyen simple d'aborder le sujet sans devoir vous plonger dans un livre parfois austère et peu pratique, est de vous faire conseiller par un amateur éclairé - les liens sont légions sur ce site web - qui vous indiquera la procédure à suivre pour traiter une image en quelques étapes. A partir de là, de rencontres entre amis ou par correspondance, vous aurez appris quelle est la fonction des différents sous-menus de l'application et le rôle du paramétrage de certaines options. Une fois cette base acquise par la pratique vous pourrez vous attaquer à des sujets plus techniques. A vous maintenant de jouer !

Prochain chapitre

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