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Mars: attirantes oppositions

Comment photographier Mars ? (III)

L'empilement d'images

En astrophotographie CCD, si vous désirez obtenir des images en haute résolution, vous constaterez rapidement qu'une seule photo donne généralement une image médiocre du sujet; l'image est floue, délavée, peu contrastée et souvent granuleuse en raison du faible rapport signal/bruit, bref elle est quasiment inexploitable. Vous pouvez remédier à ce problème en compositant ou empilant (additionnant) de nombreuses images individuelles, au bas mot quelques centaines d'images, afin d'augmenter le rapport signal/bruit de l'image résultante d'un facteur 20 ou supérieur. Certains amateurs avertis n'hésitent pas à empiler les meilleures images de séquences vidéos de plusieurs minutes comprenant jusqu'à  5000 ou 10000 images individuelles par canal. L'image résultante devient alors presque aussi détaillée que celle prise avec un grand télescope, la définition et la saturation en moins, car le petit instrument ne peut pas tirer avantage d'une lumière qu'il n'a pas reçue (cf. la galerie d'images planétaires).

A propos du rapport signal/bruit et des caméras CCD

Pourquoi les étoiles ne brillent-elles pas durant la journée ?

Pourquoi réaliser un empilement (le "stacking" en anglais) RGB ou LRGB ? Plusieurs facteurs contribuent à rendre les images individuelles floues, peu détaillées et peu contrastées, dont les principaux sont :

- le rapport signal/bruit

- la turbulence atmosphérique

- la collimation (télescopes)

- la mise au point

- la rotation planétaire.

L'empilement permet en effet d'augmenter le rapport signal/bruit en accentuant le signal du sujet tout en réduisant l'effet aléatoire du bruit électronique engendré par le capteur photosensible. Il permet également de fondre les effets de la turbulence atmosphérique qui déforme les images et noie les détails et dont l'effet se manifeste en l'espace d'une fraction de seconde.

Une mauvaise collimation réduit également la résolution et le contraste de l'image, produisant parfois des effets plus désastreux que ceux de la turbulence car ils sont permanents (jusqu'à rectification).

Quant à la mise au point, si vous travaillez en lumière blanche, de nature composite, elle doit être précise tant pour sa composante bleue que rouge. Or en utilisant des lunettes achromatiques sur ou sous-corrigées vers les courtes et grandes longueurs d'ondes il est impossible de parvenir à une mise au point optimale. Avec les caméras CCD le problème s'aggrave étant donné que tous les capteurs présentent une grande sensibilité dans l'infrarouge. La différence de mise au point entre la lumière bleue-violette et l'infrarouge atteint une fraction de millimètre ! D'où l'intérêt de l'empilement LRGB sous filtres à bande étroite.

Enfin, la rotation planétaire, lente dans le cas de Mars (0.5" en 10 minutes) participe également à délaver les détails les plus fins que vous auriez enregistrés. Ce dernier facteur concerne surtout les amateurs équipés de télescopes d'au moins 250 mm d'ouverture et réalisant des films (avec des webcams) dont ils additionnent ensuite les images LRGB pour atteindre voire dépasser la résolution de 0.5". Si la séquence totale d'acquisition dure plus de 10 minutes, la rotation planétaire sera probablement visible entre la première et la dernière image acquise.

La qualité des images en fonction de la longueur d'onde de travail apparaît très bien ces documents de la région de Syrtis Major (MC=261°). De gauche à droite, une photographiée en lumière blanche, avec un filtre rouge, en infrarouge (2.3 microns) et un empoilement réalisé par le Télescope Spatial Hubble à titre de comparaison. On reconnaît au-dessus du globe la calotte du pôle Nord. A cette époque le diamètre de Mars oscillait entre 9.5" et 12.3". Documents Tom J.Richards 1999, IRTF 1995 et HST 1999.

L'empilement permet donc de préserver la qualité de vos images individuelles, d'accenter les détails et de tirer profit d'une bonne mise au point, surtout si vous travaillez avec des caméras CCD noir et blanc. Mais ce n'est pas pour cela que vous devez mitrailler Mars lorsque la turbulence est bien visible car ce phénomène détruit la qualité des images, les rendant irrémédiablement floues. Et sauf en faisant usage de techniques digitales de pointe (optique adaptative et traitement d'image de déconvolution), dans des conditions normales de prises de vue, à partir d'une image floue il est rarement possible d'obtenir une image nette !

Image RRGB de Mars ( 25.02") prise par Jacques-André Regnier le 23 août 2003 à 0h29 TU avec un Celestron Nexstar 5 (127 mm porté à f/58) équipé d'une Powermate 5x et d'une webcam Philips Vesta Pro. Cette image résulte de l'empilement de 800 images couleurs avec 800 images de luminance prises en lumière rouge sous filtres W23A et UV-IR bloquant. Traitement sous Astrosnap, Iris et Photoshop.

Une caméra CCD équipée d'une roue à filtres bleu, vert et rouge, dits RGB, permet de séparer les canaux de couleurs primaires afin d'effectuer des prises de vues optimisées en lumière sélective, quasi monochromatique, et de réaliser ultérieurement leur empilement sur ordinateur par synthèse additive, images souvent additionnées d'une ou plusieurs images de luminance (noir et blanc) pour augmenter la résolution et le contraste du document.

Dans ce cas l'image résultante est un empilement LRGB. Dans le cas particulier de Mars, on parle d'empilement RRGB ou IRGB au lieu de LRGB car l'image de luminance est souvent réalisée en lumière monochromatique rouge (sous filtre rouge W23A, W25 ou W92) ou en proche infrarouge (sous filtre IR de 650 à 700 nm), où la surface de Mars est la plus détaillée et offre le contraste le plus élevé. C'est ici que l'utilisation d'un APN défiltré (sans filtre IR bloquant) peut s'avérer utile. Mais nous verrons plus bas, qu'en théorie l'image de luminance doit être prise sans filtre.

Si vous utilisez une webcam couleur, pour des raisons techniques choisissez de préférence un modèle dont l'objectif peut être démonté afin de mettre le capteur CCD à nu et présentant une résolution native, non interpolée, d'au moins 640 x 480 pixels pour une vitesse d'obturation comprise entre 5 et 15 images/s (Philips Vesta Pro, Philips ToUcam, Logitech Pro 4000, etc).

A lire : N'ayez pas peur des caméras CCD

Mars, les régions de Valles Marineris, Mare Erythraeum, Solis Lacus et Sinus Meridiani photographiées respectivement le 20 août 2003 par Thierry Legault (S-C de 305 mm), le 27 août 2003 par Roland Christen (M-C de 250 mm) et le 27 septembre 2020 par Raymond Negron (S-C de 200 mm). A gauche, un empilement RRGB, au centre un empilement RGB et à droite un empilement couleur à titre de comparaison. La netteté de la première est uniquement liée à la composante de luminance (125 images N/B prises en lumière rouge ajoutées aux images RGB) absente de la seconde image. Désavantage, la luminance neutralise les nuances bleutées qu'il y aurait sur le limbe et la calotte du pôle Nord.

Compte tenu de la taille des fichiers (une image de 640x480 pixels 24 bits occupe 0.92 MB) et de la vitesse de transfert entre la webcam et l'ordinateur, la prise de vue s'effectue en général à 5-10 fps ce qui limite la taille des fichiers à moins de 100 MB pour 10 secondes d'enregistrement. Toutefois, avec les ordinateurs et les caméras CCD de dernière génération, beaucoup d'amateurs n'hésitent pas à utiliser des caméras CCD à cadence très élevée (30-200 fps) et à réaliser des pseudo-films de 2 minutes à partir desquels ils extrayent quelques centaines d'images qui sont ensuite empilées.

Evitez également de comprimer les images ce qui détruirait tous les détails. Tous ces paramètres et bien d'autres peuvent être ajustés à travers le logiciel pilotant la webcam ou la caméra CCD.

En pratique la plupart des amateurs réalisent des films couleurs mais vous pouvez réaliser des documents monochromes en lumières R, G et B. Si vous ne disposez pas de roue à filtres colorés ni de rotateur de champ, la seule difficulté sera de veiller à ne pas faire pivoter la webcam entre les changements de filtres et de la placer exactement au même endroit (orientation, MAP et focale résultante identique).

Après avoir réalisé votre film AVI ou vos images bitmap, pour réaliser la calibration et l'empilement LRGB vous allez devoir suivre une procédure assez longue mais qui donne de très bons résultats avec un image finale dans laquelle le rapport signal/bruit et le contraste sont très élevés.

Résumé de la procédure :

La fonction Wavelet de Registax.

  1. - Acquisition des images L, R, G et B (ou couleur)

  2. - Acquisition des images de calibration (image noire, image de champ plat et image d'offset)

  3. - Calibration (prétraitement d'image)

  4. - Alignement des images les unes avec les autres, canal par canal

  5. - Empilement des images calibrées avec les images R, G, B et recomposition de l'image RGB

  6. - Traitement éventuel du résultat (corrections numériques de la netteté, des couleurs, du gamma, etc)

  7. - Alignement des images de luminance les unes avec les autres, canal par canal puis addition des images L

  8. - Compositage de l'image L avec l'image RGB

  9. - Traitement éventuel du résultat (corrections numériques de la netteté, du gamma, etc)

Notons que les étapes 2 et 3 sont généralement ignorées en photographie planétaire.

L'étape 4 (l'alignement) est parfois comprise dans les logiciels d'empilement (par exemple Autostakkert) voire de 4 à 9 dans AstroSurface qui combine de nombreuses fonctions depuis l'alignement des canaux LRGB individuels au traitement d'image final.

Les deux articles suivants décrivent les différentes étapes de ces techniques.

A lire : La calibration ou prétraitement d'image

Composites by Examples

Parmi les logiciels fréquemment utilisés par les amateurs citons dans l'ordre du traitement :

1. - Pipp (débayseur ou décoder la matrice de Bayer pour en faire une image couleur)

2. - Autostakkert, AstroStack, DeepSkyStacker (alignement)

3. - Registax (débayseur, wavelet, réduction du bruit, netteté), AstroSurface (alignement, wavelet, traitement d'image)

4. - Adobe Lightroom, Adobe Photoshop, Adobe Photoshop Element (traitement d'image final).

Avec certains logiciels d'acquisition tel Registax de Cor Berrevoets, il n'est pas nécessaire de faire la séparation/recomposition des trois canaux car le logiciel prend automatique en charge certaines opérations initiales.

Comme Autostakkert parmi d'autres, Registax offre plusieurs outils permettant d'empiler les images bitmaps individuelles en une seule image plus détaillée et exempte de bruit. Chaque image peut être alignée et empilée automatiquement avec les autres.

Dans tous les cas il faudra probablement traiter l'image finale pour les couleurs ou le contraste du fond du ciel (l'esthétique).

Logiciels de traitement à télécharger :

PIPP - REGISTAX - AUTOSTAKKERT

ASTROSTACK - AstroSurface - DeepSkyStacker

Compositage RGB et RRGB réalisé par Tan Wei Leong au foyé d'un télescope Takahashi Mewlon de 250mm f/12 Dall Kirkham porté à f/53, fixé sur une monture William Optics GT-1 et équipé d'une webcam Philips ToUcam Pro. Photographies réalisées le 20 août 2003 vers 18h TU. Mars présentait un diamètre de 24.9". Le fait d'utiliser pour la luminance une image visible exempte de rayonnement ultraviolet et infrarouge (UV-IR bloquant) permet d'obtenir une image RRGB dont le contraste et les détails sont accentués.

D'où vient l'image de luminance ? Okano Kunihiko qui inventa la technique LRGB nous rappelle qu'en théorie cette image doit être enregistrée en lumière blanche et jamais en lumière monochromatique pour préserver tous les détails et les plus faibles tonalités du sujet. En effet, le fait d'utiliser une image de luminance rouge par exemple, écrasera tous les détails les plus subtils (brume et nuages de poussière) acquis en lumière bleue ou verte.

En pratique et compte tenu des moyens limités des amateurs, la plupart travaille avec des webcams ou des caméras CCD couleur, parfois refroidies (par exemple le modèle ZWO ASI 290MC-Cool de 1936x1096 pixels à 20 fps). Or ces modèles ne peuvent pas réellement enregistrer des images en noir et blanc car ces caméras ne font que mélanger les trois canaux RGB. Si c'est vraiment nécessaire on peut utiliser l'image verte ou une version convertie en noir et blanc de l'image couleur. Mais dans tous les cas vous n'obtiendrez jamais le même résultat qu'une image noir et blanc classique, d'où l'avantage d'utiliser une véritable caméra CCD noir et blanc équipée d'une roue à filtres colorés.

Ceci dit, puisque nous parlons de webcams, suivant les cas (la couleur du sujet et la qualité des images R, G, B individuelles) l'image de luminance peut être constituée d'images IR, R ou G mais jamais d'image bleue car elle offre la qualité (luminosité, résolution) la plus médiocre car dans ce rayonnement la surface de Mars présente très peu de détails. On peut également créer une image L en additionnant les images G et R ou encore une image provenant d'une acquisition différente réalisée sous filtre à fort contraste faite quelques minutes après celle correspondant à l'image couleur.

L'empilement, s'il est réalisé à partir d'images brutes de qualité, donc nettes et par faible turbulence, permet après un long et fastidieux travail de prétraitement et de traitement d'image d'augmenter le pouvoir séparateur de votre instrument d'un facteur... 100 par rapport à une prise de vue unique non manipulée digitalement ! Ainsi une lunette apochromatique de 155 mm d'ouverture par exemple peut atteindre par voie numérique et après empilement de plusieurs centaines ou milliers d'images une résolution photographique de 0.05", proche des 0.03" du Télescope Spatial Hubble, la clarté en moins ! Pourquoi s'en priver ?

A gauche et au centre, deux images de Mars illustrant toute la difficulté de l'empilement RGB. Elles furent prises le 4 octobre 2020 par Anthony Wesley au foyer d'un télescope Newtonien de 415 mm f/4 équipé d'une Barlow 5x sur monture G11. A gauche, un empilement de multiples images CCD sous filtres RGB. Au centre, empilement similaire mais complété par des images sous filtre bleu à bande étroite (400-450 nm) pour faire ressortir les nuages bleus qui apparaissent sous forme de taches blanches sur le disque. Mais un traitement ultérieur a neutralisé la teinte bleutée des nuages et du limbe. On reconnaît sans difficulté la tache claire du volcan d'Olympus Mons. La base s'étend sur environ 700 km et la caldera sombre située au sommet du cratère sur environ 75 km. A droite, une image LRGB de Mars prise par Ed Grafton le 21 août 2003 à 6h33 TU au foyer d'un télescope S-C Celestron C14 de 350 mm porté à f/39 et équipé d'une caméra CCD SBIG ST-5. La résolution photographique de ce document est d'environ 0.20".

Si vous avez la patience de réaliser un empilement couleur de plusieurs centaines (ou milliers) parmi vos meilleures images R/IR et RGB et pouvez profiter de très bonnes conditions d'observations (peu de turbulence, planète haute dans le ciel, pas de tempête de sable sur Mars), vous pouvez obtenir un résultat digne des concours. La procédure est assez contraignante mais les résultats sont à la hauteur de votre patience et de votre savoir-faire.

Malheureusement concours et science ne sont pas souvent compatibles. Une "belle" image peut ne rien valoir sur le plan scientifique pour la simple raison par exemple que toutes les couleurs sont écrasées ou modifiées de manière non linéaire. Dans le cas de Mars, ainsi que nous l'avons dit le désavantage de la technique LRGB dans laquelle la composante L est remplacée par une image monochrome, est de supprimer tous les détails dans les autres lumières, surtout les brumes matinales bleutées et les nuages jaunes ou blancs parfois préludes à des tempêtes de sable. Quand il s'agit de suivre l'évolution d'une atmosphère planétaire à long terme, de telles images ne peuvent pas être présentées à une commission planétaire, que ce soit celle de l'ALPO, de la SAF ou de la SAP. Si ces activités vous intéressent, seules les véritables caméras CCD équipées de roue à filtres et les photographies noir et blanc ou LRGB rendront service à la communauté scientifique.

A lire : La vision des couleurs (effets Purkinje et Bezold-Brucke)

A gauche, courbes de tranmission des filtres LRGB Astrodon "True-balance" de 2e génération (2017). A droite, courbes de transmissions d'anciens filtres couleurs ordinaires B, V, R et IR bloquant. Les zones d'absorption correspondent au profil du filtre IR bloquant Sirius Optics NIR1. En surimpression la courbe de réponse de l'oeil (pic à 556 nm). En résumé, les astrophotographes ont tout intérêt à utiliser des filtres sélectifs de dernière génération.

En général les filtres RGB utilisés présentent la bande passante suivante :

- Filtre Bleu : 400-510 nm, 350-520 nm

- Filtre Vert : 490-590 nm, 470-610 nm

- Filtre Rouge : 610-720 nm, 550-700 nm

- Filtre UV-IR bloquant : coupure entre 700-950 nm ou au-delà de 650, 700 ou 750 nm jusque 1300 nm

- Filtre Infrarouge : 650-1200 nm

Les principaux constructeurs de filtres sont Astrodon, Astronomik, Astrovid, Baader, Kodak, Lumicon, Omega Optical, Optec, Optolong, Schott, etc.

Rappelons que ces filtres, principalement adaptés aux caméras CCD, sont trop denses pour l'observation visuelle, de même que les filtres UBVRI photométriques qui présentent une bande passante trop étroite.

Prochain chapitre

La couleur et la netteté de Mars

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