Protubérances solaires : de la couleur à la résolution
Philippe Morel,
Société Astronomique de France
On colorise le plus souvent en rouge les images de protubérances essentiellement pour des raisons esthétiques afin de leur donner un aspect " pseudo-coronographe ". Ce n’est pourtant pas le meilleur moyen de mettre en évidence au premier coup d’œil tous les détails de l’image et d’autres présentations, basées sur des rudiments de physiologie de la vision, sont autrement plus performantes surtout si l’aspect réaliste de l’image peut passer au second plan.
La vision des couleurs : une affaire de cônes
Au nombre de 6,4 millions dans la rétine [1], ils sont les constituants de la vision colorée et de la résolution spatiale de l’œil. Ils sont concentrés sur l’axe optique sur une zone de 3 mm de diamètre entourée d’une couronne de 1mm de largeur où ils sont présents en moins grand nombre. Au centre de la fovéa on en trouve environ 161900/mm², [2].
Chaque cônes de l’aire centrale de la fovéa est connecté à une cellule ganglionnaire : chaque " point " image est restitué. A la périphérie de cette zone on compte en moyenne 2,2 cônes pour une cellule ganglionnaire. Plus on s’éloigne du centre de la fovéa et moins bonnes seront
Connaissant la distance focale de l’optique de l’œil (environ 25mm), cette zone de 3 mm de diamètre couvre un champ d’un peu moins de 14° dédiés à la perception des couleurs et à la résolution spatiale en lumière du jour puisque ces cellules sont inactives en vision nocturne. Cependant, le champ de pleine acuité visuelle ne dépasse pas 3° d’angle.
L’observation planétaire faisant appel tant à la résolution qu’à la perception des nuances colorées et des faibles contrastes, la rétine devra être mise en conditions d’utilisation diurne et il faudra regarder en vision directe.
Il existe trois types de cônes selon leur sensibilité à la couleur :
Ils sont à l’origine de la vision diurne ou photopique. Le très grand nombre de L et de M par rapport aux S explique pourquoi on ne perçoit pas le chromatisme de l’optique de l’œil. En vision photopique, la sensibilité spectrale de l’œil est placée aux environs de 550nm.
La très petite quantité de S dans la fovéa a une conséquence pratique. La résolution maximale d’une optique est obtenue pour la lumière bleue mais la vision fovéale est très peu sensible à cette couleur. A l’inverse, il faut très peu de lumière pour exciter ces cônes. L’expérience pratique visuelle montre cependant que l’acuité visuelle fovéale est supérieure en lumière verte.
De plus, le pouvoir séparateur en lumière rouge étant inférieur à ce qu’il est pour le jaune et à fortiori pour le vert ou le bleu, coloriser en rouge constitue la plus mauvaise des options pour un rendu immédiat des détails.
A l’inverse, le pouvoir séparateur dans le bleu étant deux fois plus important relativement à ce qu’il est dans le rouge on pourrait conclure à la supériorité de la colorisation bleue mais c’est alors sans compter sur la quasi absence des cônes " S " au niveau de la fovéa.
La sensibilité
La dimension moyenne d’un cône placé dans la fovéa est d’environ 5 micromètres. Une image focale inférieure à cette dimension ne couvre pas toute l'aire des cônes sur lesquels elle se projette mais cette image apparaît si elle est suffisamment lumineuse ou contrastée et semblera d'autant plus large que la lumière émise par lui excite davantage les récepteurs rencontrés. Des détails bien plus petits que 60’’ peuvent donc être perçus s’ils sont suffisamment lumineux ou contrastés mais ils ne sont pas séparés. Ils ne le sont que s’ils rencontrent deux cônes différents, leur imposant donc une séparation de 60’’, [3].
La visibilité d’un trait unique dépend du contraste existant entre le trait et le fond et par bon éclairement L’œil humain perçoit un contraste de 1/200ème. Les performances sont bien meilleures encore s’il s’agit de percevoir une tache circulaire noire sur fond clair :
… ou une tache circulaire claire sur fond obscur :
Cette propriété nous permet d’admirer la division de Cassini dans l’anneau de Saturne…et a conduit de nombreux observateurs à couvrir Mars de nombreux canaux qui ont fait couler beaucoup d’encre. La sensibilité est donc un peu meilleure pour des détails clairs sur fond sombre que pour des détails sombres sur fond clair.
La couleur optimale
De ces considérations on peut avancer la supériorité de la couleur verte sur une image positive sur d’autres choix et l’infériorité de la couleur rouge pour une perception immédiate des détails. Une analyse détaillée de ces deux images extrêmes ne montre toutefois pas de différence de résolution.
La colorisation en bleu montre plus de détails immédiats que le rouge…mais on peut mieux faire car la fovéa, donc la zone de résolution maximale de l’œil est très peu concernée.
Entre vert et rouge la différence est évidente : les cônes " M " fonctionnent à plein rendement à une longueur d’onde encore très intéressante du point de vue de la résolution.
Moins de détails que pour le vert, le jaune-orangé constitue une bonne solution à substituer au rouge permettant de gagner en résolution sans trop perdre en réalisme
La couche rouge de l’image en noir et blanc : c’est beaucoup mieux que le rouge question contraste et résolution, moins bon que le vert pour la résolution mais meilleur que le jaune. On perd l’esthétisme de la couleur au profit d’un gain évident en résolution et contraste.
Les méfaits de la saturation
Une image couleur est en général plus appréciée quand elle est saturée en couleur mais cette saturation va de pair avec une perte d’information au niveau du contenu de l’image. Cette perte peut être importante et vider l’image d’une bonne partie de son contenu. Les mefaits de la sursaturation sont très sensibles pour le rouge dans le cas des images H alpha réalisées en noir et blanc.
En haut : images " sur-saturées " lumineuses mais biaisées de leur contenu, en bas : les mêmes désaturées. On retrouve des détails sur la partie la plus lumineuse de la protubérance.
Image saturée avec moins de détails ou image peu saturée avec plus de détails ? le contemplateur choisira la première et le puriste en traitement d’images la seconde.
En conclusion
Le rouge : c’est très beau mais ça dégrade l’image.
La couche rouge en noir et blanc : excellent compromis résolution contraste mais sans l’attrait de la couleur.
Le vert : on privilégie les détails et rien d’autre.
Le bleu : en théorie ce devrait être le mieux pour la résolution mais la physiologie de la vision en décide autrement.
Moins les couleurs sont saturées, plus on récupère d’informations de l’image, particulièrement quand on s’adresse aux images H alpha colorisées en rouge qui dès lors deviennent plus détaillées que les images vertes.
[1] : Osterberg G. : " Topography of the layers of rods and cones in the human retina ", " Acta Ophtalmologica ", Suppl. 6, pp. 1-103.
[2] : Curcio C.A., Sloan K.R. Packer O. et coll : " Distribution of cones in human and monkey retina : individual variability and radial asymetry ", " Science ", Vol. 236, pp. 579-582.
[3] : Dragesco J. : " Observation visuelle de Mars ", dans Morel P. et coll : " Au plus près de la Planète Mars ", Vuibert / SAF, Paris, juillet 2003.
[4] : Dragesco J. : " La vision dans les grands instruments astronomiques et l’observation physique des surfaces planétaires ", " l’Astronomie ", SAF, Vol. 83, pp. 355-365 ; 399-400 ; 439-447 , Paris, 1969.