A la fin du mois de juin 2003, une webcam ToUcam Pro modifiée avec un capteur noir et blanc, le Sony ICX098BL, a été acquise. Après trois mois d'utilisation à présent, il est possible de passer en revue les différents avantages de ce capteur, et de l'utilisation qui peut en être faite par l'observateur des planètes. A n'en pas douter il s'agit là d'un outil extrêment efficace !

1) La meilleure sensibilité du capteur

Le premier avantage du capteur noir et blanc réside dans sa grande sensibilité à la lumière. Selon Etienne Bonduelle qui a été le premier à réaliser la modification, ce capteur serait trois fois plus "lumineux" qu'un capteur couleur, et la différence est flagrante dès la première utilisation. En ce qui me concerne, lorsque j'ai reçu ce capteur il m'a d'abord permis d'obtenir avec une grande facilité des images de Mars à travers un filtre bleu. Il est en effet important et intéressant d'obtenir des images de cette planète prises dans les courtes longueurs d'onde, dans la mesure où ce sont ces dernières qui vont le mieux montrer les délicats nuages de vapeur d'eau contenus dans son atmosphère. Or, la composante bleue des images couleurs produites par les webcams couleurs est de qualité exécrable, avec beaucoup de bruit et d'artefacts... d'où l'idée de filtrer dans le bleu.

Lors des premières observations du mois de mai, un filtre Wratten coloré était utilisé avec la ToUcam normale dans ce but, le W38A. Fin mai un filtre bleu de marque Astronomik, plus performant et bloquant la partie infrarouge du spectre lumineux, est utilisé à son tour, mais la webcam, peu sensible dans le bleu, est très difficile à régler, surtout avec un petit télescope. Les réglages sont totalement contraints (aucune marge de manoeuvre, tout doit être au plus lumineux) et non optimaux. La cadence est à 5 i/s avec une exposition de 1/25ème (à 10 i/s, aucun réglage ne permet d'obtenir des brutes utilisables). Le gain doit être porté au-delà de 80%, mais ceci donnant trop de bruit, j'ai préféré porter la luminosité à 100 % avec un gain inférieur à 50%. Les brutes sont extrêment sombres, le fond du ciel lumineux et bruité (il faut ruser avec un "dark" pour tenter de le supprimer au traitement). La webcam est obligatoirement utilisée en mode couleur, car en mode NB l'image disparaît de l'écran ! Enfin, une capture d'au moins trois minutes est nécéssaire, et bien entendu aucune sélection n'est autorisée, sous peine de ne pas obtenir un rapport signal sur bruit satisfaisant.

Lorsque la webcam NB est utilisée pour la première fois le 28 juin 2003, quel changement... La cadence est portée à 10 i/s sans problème, avec un temps d'exposition qui peut être inférieur à 1/25ème, et on peut opérer une sélection sur les brutes !

Sur les images ci-dessus réalisées à quelques jours d'intervalle dans de très bonnes conditions de transparence, la différence de qualité entre les deux webcams (le filtre est le même) est flagrante : celle réalisée avec la ToUcam NB est plus douce, plus lumineuse, avec un rapport signal sur bruit bien meilleur.

Beaucoup moins exposés au manque de lumière, les autres filtres (vert et rouge) voient également leur temps d'exposition se réduire drastiquement. Avec le RG610 (filtre rouge) sans IRcut, avec la webcam NB le temps d'exposition est de 1/50ème de seconde (1/100ème est possible aussi !), contre 1/25ème avec la ToUcam Pro.

Bien que la diminution du temps d'exposition ne permette peut-être pas tant que ça de "lutter contre la turbulence", il a une signification plus intéressante : cela indique que dans des conditions de transparence médiocre, il existe une grande marge de manoeuvre pour obtenir des brutes avec une luminosité "normale", là où la ToUcam Pro ne le permettra pas.

2) Une meilleure définition d'image

Le capteur NB a-t-il une influence positive sur la résolution de l'image ? La réponse est oui, mais j'avoue ne pas savoir si cela est dû à une plus grande finesse du capteur lui-même ou bien à un résultat de la meilleure sensibilité, qui a un effet positif sur le rapport signal / bruit par exemple...

Ces deux images de Saturne ont été réalisées à neuf minutes d'intervalle la même nuit du 14 septembre 2003, dans des conditions excellentes (stabilité et transparence), avec les deux webcams, sans aucun filtre à chaque fois, et le newton de 180 mm.

Là encore on retrouve une bien meilleure facilité de réglage avec le capteur NB. La planète est encore loin et relativement peu lumineuse au moment de la prise de vue, et avec la ToUcam Pro le réglage est impérativement 5 i/s et 1/25ème d'exposition. Avec la webcam NB le temps d'exposition est toujours de 1/25ème mais la cadence est cette fois de 10 i/s... Deux minutes de capture à chaque fois et compositage en bloc sans aucune sélection.

Mais surtout on constate une définition nettement meilleure, dans les anneaux où on perçoit mieux les "minimas", et sur le globe où les bandes sont beaucoup plus nettes. De plus, le spot tropical qui apparaît sur les images du 13 et du 17 septembre n'aurait certainement pas été détecté avec la ToUcam normale...

3) Un capteur privilégié pour l'utilisation de filtres

De par sa grande sensibilité on l'a vu, le capteur NB ouvre de plus larges horizons à l'observateur de planètes dans la mesure où il autorise plus facilement l'usage de filtres dans des longueurs d'ondes un peu délaissées comme l'infrarouge, ou bien le bleu / violet (l'ultra-violet est, en webcam, sans doute malheureusement réservé aux utilisateurs de gros télescopes ou bien aux objets éclatants comme Vénus). Mais il ne faut pas se borner à cette seule constatation.

Les erreurs de la ToUcam Pro dans la transmission des couleurs

L'usage du capteur NB permet également de régler un problème qui a été identifié par beaucoup d'utilisateurs de webcams au printemps, lors des premières images réalisées de la planète Mars. Les observations de cette planète se font toujours de façon privilégiée par la production d'images séparées dans les couleurs rouge, vert et bleu (rouge et bleu surtout), en plus des images couleurs. Cela suppose des images prises dans des longueurs d'onde bien précises. Or il s'est rapidement avéré que la séparation en R, V, B des images produites par la ToUcam Pro ne donnait pas du tout satisfaction de ce point de vue. Ce problème avait fait l'objet d'une analyse dans un article rédigé par Damian Peach et Tan Wei Leong. Le constat était que les images obtenues étaient "polluées" par les longueurs d'onde voisines, en particulier, la composante bleue transmettait une bonne partie du vert et même du rouge (y compris en cas d'utilisation d'un IRcut). Voici un petit état des lieux des problèmes de transmission de la ToUcam Pro à l'aide d'images de Mars...

Les composants rouge, vert, bleu, d'une image de Mars réalisée le 18 juillet 2003 avec une ToUcam Pro et un filtre IRcut. Deux problèmes sautent aux yeux de l'observateur aguerri...

1) La composante verte est plus détaillée que la composante rouge ! Bien que la différence soit parfois subtile surtout lorsque les images sont prises avec de plus gros télescopes, la composante verte des images prises avec la ToUcam Pro est toujours un peu plus fine que la rouge. Ceci est totalement anormal ; c'est en effet dans le rouge que Mars doit être le plus détaillé (au niveau des détails de la surface), car la couleur rouge permet de pénétrer totalement l'atmosphère de la planète tout en donnant un grand contraste aux taches sombres. Ici, seul le contraste reste la caractéristique de la composante rouge. Ceci est sans doute dû à la nature du capteur de la ToUcam Pro, qui doit compter plus de pixels équipés de filtres verts que de pixels équipés de filtres rouge et bleu. On comprend aussi en passant, que réaliser une image RRVB de Mars, avec en luminance la composante rouge de l'image, c'est prendre le risque de diminuer artificiellement la résolution...

2) La qualité de la composante bleue est catastrophique. Il y a beaucoup de bruit (alors même que le rapport s/b des deux autres composantes est assez bon), un tramage horizontal apparaît, et pour finir le contour des mers sombres de la surface est toujours visible sous forme d'artefacts bien marqués... Parfois c'est encore bien, bien pire, cela va jusqu'à la transformation des taches sombres de la surface en nuages blancs évidemment illusoirs !!

Une première solution, qui donne de très bons résultats, est d'utiliser la ToUcam Pro avec des filtres de couleur. L'utilisation d'un filtre rouge ou bien d'un filtre bleu permet de corriger les erreurs de filtrage du capteur couleur. A ce niveau, plusieurs utilisateurs de webcam ont montré que l'on pouvait, soit obtenir simplement des images R et B séparées de meilleur qualité, soit reconstituer ainsi une image couleur, par exemple en remplaçant la composante bleue par une image filtrée, ou bien en réalisant une image couleur en ajoutant une image filtrée dans le rouge et parfois même aussi dans le vert.

Mais cette opération peut trouver ses limites dans un manque de luminosité dû au double filtrage de la lumière... C'est ici que l'utilisation d'un capteur NB avec des filtres devient très intéressant, car il permet de résoudre totalement et avec une grande facilité ce problème de mauvaise restitution des couleurs.

La webcam NB utilisée avec des filtres : une transmission optimale des couleurs

L'idée a fait rapidement son chemin à la fin du mois de juin de tenter d'utiliser la webcam NB en conjonction avec un jeu de filtres RVB (ici des Astronomik de type II), exactement comme s'il s'agissait d'une CCD astro classique. Les résultats ont tout de suite confirmé qu'il s'agissait d'une bonne idée...

Une image de Mars réalisée un peu plus tôt, toujours le 18 juillet 2003, avec la webcam à capteur NB et des filtres.

Ici on retrouve une distribution normale de l'information : les détails de la surface sont mieux définis dans le rouge, mais surtout, l'image bleue est cette fois de très grande qualité : douce, avec peu de bruit et sans artefacts, elle permet de bien visualiser l'état de l'atmosphère martienne ce 18 juillet, quasiment privée de nuages blancs. La qualité de cette image concourt évidemment au rendu du RVB final par rapport à la ToUcam Pro...

L'utilisation de la méthode de trichromie (une image RVB réalisée avec trois captures à travers trois filtres rouge, vert, bleu) est rendue possible par la rotation de Mars assez lente (un jour en 24 H 37 mn), en comparaison par exemple des gazeuses. Dans de bonnes conditions (quand mon télescope est dans un bon jour...) il faut huit minutes pour réaliser les trois captures. Pendant ce temps, Mars tourne de 2° seulement ; ce qui déjà n'est pas beaucoup. Le risque de voir la rotation de la planète ruiner l'image finale, qui existe bel et bien, est grandement diminué par le fait qu'une des trois images (la bleue) ne montre pas les détails de la surface ; le risque de rotation se limite donc aux images rouge et verte, soit un degré seulement de rotation, parfois moins. Considérant l'ensemble des avantages que cette technique apporte par rapport à la webcam normale, ce problème résiduel est parfaitement acceptable.

L'utilisation de filtres comme un moyen de lutter contre la turbulence ?

Au bout de trois mois d'utilisation de la webcam NB, j'ai constaté assez souvent une nette différence de comportement de l'image sur l'écran du portable, alors que la webcam était équipé d'un filtre (comme presque toujours), par rapport à l'évaluation faite en visuel des conditions d'observations. J'ai aussi constaté des différences entre filtres... La plupart du temps en fait (mais pas toujours hélas !), l'image m'a semblé plus stable avec la webcam et un filtre, qu'en visuel. Une autre bizarrerie a été remarquée. J'ai l'habitude d'utiliser, en plus du filtre rouge Astronomik, un filtre rouge RG610 mais sans filtre IRcut, de façon à utiliser le potentiel de l'infrarouge (qui sur Mars permet de donner un plus grand contraste aux taches sombres de la surface) : il s'agit d'une image rouge + infrarouge (le filtre Astronomik bloque l'IR d'origine). Or, presque systématiquement, la turbulence semblait nettement plus élevée à travers le RG610 qu'à travers le R Astronomik. Petit à petit j'ai supposé qu'il fallait incriminer la large plage de lumière transmise dans la formule R + IR par rapport au R seul. L'hypothèse a été semble-t-il parfaitement confirmée lors d'une nuit assez instable de septembre 2003, où par curiosité j'ai rajouté un filtre IRcut au RG610, ce qui a eu pour effet de réduire considérablement la transmission du filtre en longueur d'onde de 400 nm à moins de 100 nm :

La différence de netteté entre ces deux images prises à quelques minutes d'intervalle le 23 septembre 2003 est frappante. Il semble évident que la réduction drastique de la bande passante grâce à l'IRcut est responsable de la stabilisation de l'image (bien visible en comparant les deux AVI). La conclusion peut s'appliquer aux filtres interférentiels qui ont également une bande passante plus ou moins étroite :

Ainsi l'utilisation de ces filtres paraît être un moyen efficace d'apporter un plus de stabilité par rapport à une image réalisée avec la ToUcam Pro et IRcut par exemple, qui elle se fera sur tout le spectre visible (400 - 700 nm soit 300 nm de largeur de "bande"). Encore un avantage indirect du capteur noir et blanc ?

4) L'utilisation du capteur NB pour faire une image de luminance

La webcam équipée d'un capteur noir et blanc peut être utilisée en parallèle avec une webcam à capteur couleur pour produire une image de type LRVB. L'observateur ayant le souci de la qualité de restitution de l'information sur ses images fera attention à la façon de faire une telle image, attendu que la méthode LRVB peut avoir pour résultat de transformer la distribution de l'information ou bien d'altérer les couleurs (lire par exemple l'imagerie couleur de Mars). La technique n'est pas recommandable pour Mars (le RVB est mieux), elle est très difficile à mettre en oeuvre sur Jupiter (cela suppose de faire les deux acquisitions en même temps !), par contre elle peut être très intéressante sur Saturne, dans la mesure où les fins détails de cette planète sont la plupart du temps inaccessibles à la plupart des instruments. Mais est-ce bien orthodoxe ? ;-))

L'image de Saturne du 14 septembre 2003 réalisée avec la webcam NB a été utilisée en luminance sur l'image prise avec la ToUcam Pro.

Merci à Paolo Lazzarotti pour avoir réalisé cette webcam.

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