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N'ayez pas peur des caméras CCD

Les webcams et les caméras vidéos (IV)

A l'ère de l'intégration électronique, les petites webcams à moins de cent euros et les caméras astronomiques ont séduit pas mal d'amateurs avertis pourtant habitués à travailler avec du matériel d'une autre qualité. Pourquoi un tel engouement ?

Honneur aux pionniers, la webcam fut inventée en 1993 en Angleterre, au département informatique de l'Université de Cambridge. En 1994, Jeff Schwartz et Dan Wong alors étudiants à l'université d'état de San Francisco (SFU) firent la même découverte et mirent au point la "fogcam". La première webcam fut commercialisée en 1994, il s'agissait de la QuickCam fabriquée par la société Connectix dont les produits furent rachetés en 1998 par Logitech.

A gauche, une caméra vidéo CCD noir et blanc Supercircuits PC164C sensible à 0.0003 lux ! Elle revient au prix d'une webcam, un peu plus chère cependant que la Logitech Quickcam VC présentée à droite et modifiée pour l'astrophotographie.

Avantages et inconvénients

Les webcams offrent l'avantage d'être bon marché tout en offrant des résolutions variant entre 320x240 pixels et 3 Mpixels selon les modèles. Elles supportent des images au format VGA ou HD et des vidéos au format AVI, parfois WMN ou MOV, leur prix augmentant proportionnellement à leurs performances (40-150 €).

Vu leur faible encombrement et leur légèreté, il est également facile de les relier à l'oculaire d'un télescope au moyen d'un simple adaptateur ou de fabriquer soi-même un adaptateur avec des pièces de récupération ainsi que nous l'expliquent quelques passionnés sur Astrocam.

Capable d'enregistrer entre 5 et 60 fps selon la résolution et leurs performances, les images fixes individuelles peuvent offrir une excellente balance des couleurs, un bon contraste et une image très nette sur les modèles comme la Philips ToUcam ou la Logitech Pro 9000.

Techniquement toutefois la sensibilité du capteur chute un peu trop rapidement en lumière bleue mais offre un bon rendement jusqu'en proche infrarouge.

Si les webcams ont l'avantage du prix, du poids plume et de la simplicité, elles nécessitent une connexion directe par USB à l'ordinateur sur le lieu même de prise de vue.

Les caméras astronomiques

Les caméras astronomiques (ImagingSource, iNova, etc) ont également besoin d'une liaison avec l'ordinateur mais elles sont plus souples et plus performantes. Plus cher (200-700 €), elles sont un peu plus lourdes (300 g en moyenne) que les webcams et un peu plus compactes que les caméras CCD classiques.

Caméra iNova PLA MX 310kp

Outre leur excellente qualité d'image, les caméras astronomiques vendues par ImagingSource par exemple sont équipées d'un connecteur USB 2.0, Firewire (IEEE1394) ou Ethernet Gigabit (GigE). Ces connexions à haut débit sont nécessaires car ces caméras peuvent atteindre une résolution de 1.2 Mpixels et une cadence de 60 fps.

Ces caméras, y compris le modèle USB d'iNova présenté à droite supportent la plupart des formats d'image RAW, BMP, JPEG, PNG, FITS et TIFF ainsi que les formats vidéo AVI et SER.

Caméscopes et APN en mode vidéo

A l'inverse, les caméscopes HD (par ex. Canon HF200) comme les APN munis de capacités vidéos (par ex. Nikon D7000) sont autonomes, polyvalents mais assez lourds (300-1200 g) et les modèles de milieu et haut de gamme, même sans objectif, sont encore plus onéreux que les caméras astronomiques. 

En général ces appareils supportent le format AVCHD (algorithme MPEG-4) et parfois MOV tandis que les APN compacts proposent généralement un format AVCHD Lite et Motion JPEG (M-JPEG) de basse résolution.

Les temps d'exposition varient généralement de 1/10000eme à 60 minutes pour une caméra ImagingSource, de 1/8000eme à la pose B pour les APN et de 1/2000eme à 1/2 sec pour les caméscopes. En général cette latitude n'est jamais exploitée car la Lune par exemple supporte des temps d'exposition variant entre 1/500eme et 1/10eme de sec. Pour les planètes en revanche, on peut descendre jusque 1/10eme de sec sinon moins.

Le bruit thermique

Quel que soit la caméra utilisée, le capteur CCD ou CMOS n'étant généralement pas refroidi, le bruit thermique est plus apparent dans les zones sous-exposées ou faiblement éclairées et plus encore durant l'été où la tempéraure ambiante accentue le bruit thermique. 

CCD 1300S de Spectral Instruments (100kp de 9µm).

Il peut toutefois passer inaperçu car à la cadence de 30 images par seconde, temps d'obturation maximale d'une caméra vidéo ordinaire, le cerveau intègre les images successives et rend l'aspect granuleux beaucoup moins apparent.

Ces systèmes vidéos donnent d'excellents résultats si la luminosité est suffisante et si on connaît leurs limites. Justement, en imagerie planétaire, le temps d'exposition est souvent instantané et le bruit thermique qu'il entraîne, même s'il est faible sur certains modèles, ne permet pas toujours d'obtenir des images de grande qualité (voir les exemples dans les liens en page 5).

Pour la photographie du ciel profond ou de tout objet céleste pâle présentant de nombreux détails, les conditions empirent car le temps d'exposition peut atteindre des dizaines de minutes pour révéler toute son étendue ou sa structure. Le bruit devient si apparent que la soustraction d'une image noire devient obligatoire comme expliqué précédemment.

Il existe toutefois une alternative pour contrôler et réduire ce bruit thermique.

La combinaison d'images

Pour réduire le bruit thermique des images, la seule solution consiste à extraire du film les meilleures images individuelles et de les additionner pour augmenter la définition et donc la qualité de l'image résultante. Dans ce cas-ci on réalise donc un film afin d'en tirer une photographie en haute résolution.

Cette addition de multiples images permet également de noyer les légers déplacements dûs à la turbulence. Ceci est encore plus vrai en couleurs. En effet, à l'instar de la réalisation d'un compositage LRGB, il importe peu que les images des canaux RGB soient un peu floues ou décalées (le moins possible bien sûr et c'est la raison pour laquelle on utilise des points de référence dans chaque image à combiner) car c'est avant tout l'image de luminance qui donnera son contraste au résultat final, les images RGB ne venant que réduire le bruit électronique et uniformiser la turbulence.

En travaillant à 25 fps, en deux minutes on peut enregistrer une vidéo au format VGA ou même HD 720p contenant 3000 images individuelles. La vidéo étant directement disponible sous format électronique, si nécessaire on peut facilement extraire et traiter individuellement les meilleures images du film puis les additionner pour augmenter le rapport signal/bruit et la dynamique de l'image (la richesse des couleurs et des détails) comme on le voit très bien sur les documents présentés ci-dessous (avec un APN réflex et une webcam).

A voir : Saturne avant et après traitement - Canon EOS 450D sur NexStar 5 SE XLT

A gauche, arrêt sur l'écran d'un ordinateur montrant une séquence d'acquisition de Mars réalisée par Jacques-André Regnier avec une webcam Vesta Pro connectée à un PC portable (CPU 400 MHz, RAM 256 MB) utilisant le logiciel Astro-Snap. Une fois le film réalisé il sera traité numériquement dans un logiciel de traitement d'image tel Registax, IRIS ou Photoshop. A droite, image brute de Saturne extraite d'un film au format AVI réalisé par Thierry Lambert avec une webcam Philips Vesta Pro fixée sur un télescope de Newton Intes de 130 mm f/5.5 équipé d'un oculaire de 6.4mm. L'image de droite est le résultat obtenu après traitement numérique et compositage de 586 images sous IRIS. La réduction du bruit est spectaculaire !

Parmi les logiciels supportant la combinaison de milliers d'images (et de points de références), citons Registax de Cor Berrevoets, IRIS de Christian Buil, Avistack de Michael Theusner et Astrostack.

Grâce à ces logiciels, il est assez aisé de convertir des séquences filmées d'un objet en une seule image résultant de la combinaison de quelques centaines à quelques milliers d'images instantanées extraites des meilleures séquences.

En d'autres termes, si nous prenons un petit télescope catadioptrique de 127 mm d'ouverture offrant une résolution théorique de 1.1", là où une image individuelle peu contrastée et bruitée atteint difficilement une résolution photographique de 10" en projection oculaire, la combinaison de 1500 images réalisées dans de bonnes conditions offrira une résolution photographique voisine de 0.5", soit 22 fois supérieure à une image brute !

A gauche, Jupiter et Io en transit photographiés le 6 février 2003 par Jacques-André Regnier au foyer d'un Celestron NexStar 5" (127mm) équipé d'une Barlow Ultima 2x et d'une webcam Philips Vesta Pro. A droite, une image de Mars réalisée par Sean Walker le 16 août 2003 (24.5") au foyer d'un Celestron C9.25" Maksutov muni d'une Barlow 5x. L'image résulte de la combinaison des 900 meilleures images vidéos capturées avec une webcam Philips ToUcam Pro. Sur ces documents la résolution photographie est deux fois supérieure à la résolution visuelle de ces télescopes en raison de l'addition des images !

Durée et taille des enregistrements vidéos

Pour des raisons techniques, compte tenu de la taille des fichiers et de la faible vitesse de transfert entre la caméra et le PC (peu de caméras disposent d'un port Firewire à 50 ou 100 MB/s), l'enregistrement s'effectue en général entre 5-10 fps, taux qui limite la taille des fichiers à quelques dizaines de mégabytes.

 En effet il faut savoir que pour une résolution de 640x480 pixels et une profondeur de pixel de 24 bits, chaque image occupe 0.92 MB. Un film AVI de 10 secondes enregistré à la cadence de 10 images/sec (soit un film de 100 images individuelles) occupera un espace disque de... 92 MB ! Il faut également veiller à ne pas utiliser un taux de compression trop élevé qui dégraderait sérieusement la qualité des images et empêcherait toute optimisation ultérieure. Tous ces paramètres et bien d'autres (mise au point, gain, luminosité, etc) peuvent être ajustés à travers le logiciel pilotant la caméra. 

Pour les APN équipés d'un mode vidéo c'est un peu plus simple et le paramétrage se limite généralement au choix du format et de la résolution, les autres paramètres étant réglés automatiquement (balance des blancs, sensibilité, luminosité, etc).

Précisons que si vous utilisez une caméra analogique, vous pouvez digitaliser le film au moyen d'un digitaliseur vidéo ou "frame grabber". Matrox par exemple propose différentes cartes d'interfaces très performantes (1750$ pour la Matrox Radient eCL). A présent votre film est lisible par tout bon logiciel de traitement d'image et vous disposez de toute la panoplie des fonctions pour améliorer sa qualité et même le convertir dans d'autres formats.

A consulter : VIDEOASTRO

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A gauche, une installation vidéo typique : caméra couleur Xixen fixée à l'oculaire du télescope et affichage du résultat sur un petit écran vidéo séparé. Les prises de vues sont sauvegardées sur le disque dur de l'ordinateur. A droite, Saturne photographiée le 12 février 2002 par David Hanon avec une lunette Astro-Physics de 180 mm f/9 EDT équipée d'un oculaire de 11 mm. Il s'agit de l'addition de 46 images extraites d'un film vidéo réalisé avec un caméra video MiniDV, zoom au maximum. Les images ont été traitées sous MaxImDL.

En conclusion, si l'appareil photo ou la caméra et le télescope permettent d'enregistrer l'image, c'est encore le travail de traitement d'images après la séance de prises de vues qui va révéler le savoir-faire de l'amateur. Les documents présentés ici et en sont de très beaux exemples.

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