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 vidéos (camcorders) ont séduit pas mal d'amateurs avertis pourtant habitués à travailler avec du matériel d'une autre qualité. Pourquoi un tel engouement ?

Les webcams sont bon marché et disposent en général d'une résolution d'au moins 640 x 480 pixels en mode natif (non interpolé), leur prix augmentant proportionnellement à leurs performances (avec micro, logiciel de tracking et vitesse jusqu'à 60 images/sec sur les plus complètes). Les images fixes peuvent être de très bonne qualité, offrant une excellente balance des couleurs, un bon contraste et une image très nette sur les modèles à plus de 80 € (Philips ToUcam, Logitech Pro 4000, etc). Techniquement toutefois la sensibilité du capteur CCD chute un peu trop rapidement en lumière bleue.

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.

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

Mais il est encore plus intéressant de savoir qu'alliée à un ordinateur et un logiciel de traitement d'images (Registax, IRIS, Photoshop et consorts), il est assez aisé de convertir des séquences filmées d'un objet en une seule image résultant du compositage de quelques centaines à quelques milliers d'images instantanées extraites des meilleures séquences. En d'autres termes, si nous prenons un télescope catadioptrique de 100 à 130 mm d'ouverture, là où une image individuelle, peu contrastée et granuleuse atteint difficilement une résolution photographique de 10" en projection oculaire, un compositage de 1500 images réalisé dans de bonnes conditions offrira une résolution photographique voisine de 0.5" !

Pour des raisons techniques, compte tenu de la taille des fichiers et de la vitesse de transfert entre la webcam et le PC la prise de vue s'effectue en général entre 5 et 10 images/sec, vitesse 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 de compression qui dégraderait sérieusement la qualité de vos 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 webcam.

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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 !

Idem avec les caméras vidéos qui ne souffrent pas des défauts des webcams (basse résolution, vitesse lente). Même avec des caméras vidéos analogiques limitées à 1/30e de seconde par image vous pouvez réaliser des images en haute résolution de la Lune ou des occultations par exemple. Utilisez de préférence le format vidéo Super-VHS de bien meilleure qualité que le format VHS, sinon le Betamax, mais ils sont dépassés. 

Il va sans dire qu'aucune de ces caméras ne surpasse les caméras vidéos digitales dont un certain nombre sont déjà proposées au format HD et compatibles avec les DVD enregistrables. La plupart des caméras digitales ainsi que certains appareils photo numériques sauvegardent leurs films au format AVI qui peut être lu sans problème par des logiciels de traitement d'image tel IRIS ou Adobe Photoshop et bien entendu par des logiciels vidéos spécialisés.

Logiciels de traitement à télécharger : 

REGISTAX - ASTROSTACK

Etant donné que l'objectif des caméras vidéos n'est pas amovible, leur usage reste limité en astronomie et plus encore si vous ne pouvez pas débrayer le mode d'exposition automatique, sans possibilité de pouvoir choisir le gain et l'ouverture de l'iris. A l'image des caméras CCD couleur, les caméras vidéos couleurs présentent une plus faible résolution que leur consoeurs noir et blanc du fait qu'il faut trois photosites bleu, vert et rouge pour former un pixel de couleur. Par ailleurs, attachée à un télescope, il peut arriver que le moteur d'entraînement de la cassette crée des vibrations qui rendront les images floues.

Pour toutes ces raisons beaucoup d'utilisateurs préfèrent utiliser des caméras vidéos noir et blanc, souvent utilisées pour la suveillance, qui par ailleurs disposent pour la plupart d'un objectif amovible. Comme elles sont aussi meilleur marché, c'est tout bénéficie pour les amateurs que nous sommes !

Il vous suffit alors de retirer l'objectif, d'y placer une bague T et de fixer le tout, selon votre configuration, au tube allonge, à l'oculaire, au porte-oculaire ou à la lentille de Barlow comme vous le feriez avec un appareil photographique.

En option vous pouvez acquérir un "video enhancer" qui assure de manière analogique les mêmes fonctions qu'un masque flou, vous permettant d'accentuer la netteté des images que vous avez enregistrées.

Traitement des séquences vidéos

Comme toute image astronomique digitale enregistrées dans des conditions de faible éclairement, les images vidéos individuelles apparaissent souvent granuleuses en raison du bruit électronique généré par le capteur CCD qui n'est pas refroidi; cet effet est encore plus marqué dans les zones sous-exposées ou faiblement éclairées. Il peut toutefois passé 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.

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 du compositage de 46 images extraites d'un film vidéo réalisé avec un caméra video MiniDV, zoom au maximum. Les images ont été traitées sous MaxImDL.

Enfin, une fois le film réalisé il faut transférer le signal analogique dans un ordinateur; cela se réalise au moyen d'un digitaliseur vidéo ou "frame grabber" qui coûte environ 200 euros. 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.

L'avantage des webcams et des caméras vidéos est le fait qu'étant donné le grand nombre d'images individuelles enregistrées en peu de temps (1800 images sont enregistrées en l'espace d'une minute à raison de 30 images par seconde), vous pouvez facilement extraire les meilleures séquences, présentant peu de turbulence et bien nettes, les enregistrer dans le logiciel et les moyenner. Cela vous permettra d'augmenter le rapport signal/bruit et de noyer les légers déplacements dûs à la turbulence. L'effet sera a coupé le souffle comme en témoigne les images de Jupiter et de Mars présentées ci-dessus. 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) 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 lisser la turbulence (seeing).

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