The Solar Explorer  -  23 septembre 2021

Traitement

Cette section décrit la manière d’extraire les images du Soleil enregistrées dans les fichiers SER avec Sol’Ex, ainsi que la façon de traiter ces images. Le fil conducteur est un acquisition réalisée le 5 septembre 2021 dans la raie H-alpha en couplant Sol’Ex à une lunette de 65 mm de diamètre et de 420 mm de longueur focale (modèle TS), typique de l’équipement employé avec Sol’Ex. La caméra est une ASI178MM fonctionnant en binning 2x2. Vous pouvez télécharger cette observation sous la forme d’un fichier SER nommé 12_08_34.ser, ainsi que des fichiers annexes produisent par le logiciel SharpCap au moment de la capture. Pour cela, décompressez le fichier ZIP disponible sur ce lien, 12_08_34, dans le répertoire de votre choix (par exemple c:/capture/).


Je vais évoquer deux applications qui peuvent fonctionner depuis l’environnement Windows. D’abord, le logiciel INTI, spécialisé dans le décodage des fichiers SER et la production d’images du Soleil prêtes à l’emploi. Ensuite le logiciel i-Spec, lui aussi capable d’extraire les images du Soleil provenant de vos « scans », mais d’un usage plus complexe, et surtout spécialisé dans le traitement de ces images. 

Partie 1 : iNTI

INTI est un projet initié et développé en Python par Valérie Desnoux avec l’aide d’une poignée de collaborateurs. Le plus grand soin a été porté pour que vous puissiez utiliser ce logiciel sur votre ordinateur sans avoir installé Python, ni même avoir la moindre connaissance de ce langage. INTI se présente comme une banale application Windows dans la forme.


INTI s’installe très simplement. Pour la procédure et télécharger l’application, rendez-vous sur le site : http://valerie.desnoux.free.fr/inti/


Voyons immédiatement comment utiliser INIT en exploitant le fichier 12_08_34.ser. Lancer INTI, cliquez sur le bouton Open puis sélectionnez le fichier SER : 

Dans un second temps vous cliquez sur le bouton Ok, et INTI réalise à partir de ce moment un certain nombre de calculs de façon entièrement automatique : lecture du fichier SER, correction du transversalium, évaluation des distorsions géométrique, synthèse d’images Quick-look pour vous donner une rapide idée du résultat, sauvegarde des images issues du traitement en format PNG et FITS dans le répertoire depuis lequel vous avez chargé le fichier SER.


Le gros du travail concerne les corrections géométriques. Elles sont de deux types, et il faut savoir les reconnaître. La première concerne l’écart entre le facteur d’échelle suivant l’axe horizontal (SX) et suivant l’axe vertical (SY), qui peut donner aux images une allure de ballon de rugby :

Dans cet exemple, le rapport SY/SX est inférieur  à 1. Cela signifie que la fréquence d’acquisition des images en regard de la vitesse de balayage du disque est trop élevée. On dit que l’image est sur-échantillonnée. Un facteur SY/SX compris entre 0,75 (comme dans cet exemple) et 1 est tout à fait acceptable. En visant la valeur SY/SX=1 on réduit la taille des fichiers SER. La situation à éviter absolument est celle d’un facteur d’échelle inférieur à l’unité :

Ce résultat indique que la fréquence image est trop faible. Il est catastrophique, car il impose au logiciel d’extrapoler l’image pour aboutir à un disque circulaire, c’est-à-dire que de l’information artificielle est produite. Le résultat est une perte franche de résolution dans l’image finale. Faites bien attention lorsque vous observez !


L’autre distorsion que corrige INTI est le défaut de tilt (inclinaison) lié au fait que le balayage ne se fait par dans une direction perpendiculaire à l’axe de la fente :

L’angle de tilt dans cet exemple est de 5°, une forte valeur, que l’on repère bien à l’oeil sur la lunette même. On cumule en plus ici un défaut d’échelle. Vous pouvez essayer de réduire l’angle à 1° ou moins, c’est faisable, et toujours mieux, surtout si le disque déborde du cadre du capteur, afin de réduire les troncatures dans les bordures. 


INTI sait très bien corriger ces distorsions et de manière automatique. Voici le résultat final généré par cette application :

Au terme du calcul, INTI affiche un certain nombre d’images à l’écran qui permettent d’évaluer le résultat. Elle restent présente durant une minutes, mais vous pouvez aussi quitter ce mode en appuyant sur la touche « Return ». Vous avez entre-autre à disposition une visualisation des protubérances :

Vous allez retrouver ces images dans le format graphique PNG dans le répertoire de travail, mais aussi les versions dans le format FITS, le standard en astronomie.:

Le fichier FITS le plus important pour nous, car il correspond à l’image effectivement traitée la plus pure, est celle dont le nom se termine par « xxx_recon.fits ». Ici il s’agit du fichier « _12_08_34_recon.fits ». Un autre fichier important à surveiller est celui dont le nom s’achève par « xxx_raw.fits ». C’est un fichier image dit « brut » qui permet de juger l’aspect de l’image avant que ne soit pratiquée la correction des distorsions géométriques, ce qui permet de juger la situation au moment de l’acquisition.


INTI sauvegarde aussi un fichier texte « _log.txt » qui contient les résultats du calcul, et en particulier le facteur SY/SX évalué. Dans notre exemple SY/SX = 0,98, ce qui est très bien : 

Une autre information précieuse concerne les coordonnées du centre du disque (XC, YC) et son rayon en pixels. Ces données seront très utiles pour la suite.


INTI réalise les calculs de manière rapide et automatique. C’est un compagnon idéal au moment même où vous observez le Soleil, pour analyser la situation et la rendre attrayante. On n’est pas certes pas dans le temps réel, mais  le niveau d’interactivité est déjà correct.

Partie 2 : i-Spec

Partie 2.1 : configuration

I-Spec est une application écrite par l’auteur (dérivée d’un logiciel plus complet, ISIS), particulièrement optimisé pour l’exploitation de Sol’Ex (et aussi Star’Ex, avec quelques possibilités en matière d’exploitation des spectres).


Retenez à ce stade que i-Spec permet de décoder les fichiers SER, de réaliser des opérations arithmétiques sur les images, de pratiquer des opérations géométriques de tout type, etc.


Vous pouvez télécharger i-Spect depuis ce lien : i-Spec.zip. Il suffit de décomprimer dans le répertoire de votre choix le fichier ZIP et de lancer i-Spec.exe (vous pouvez aussi copier l’icône sur le bureau).


La première opération à réaliser est de configurer le logiciel depuis l’onglet « Configuration »,, tout à droite. Inspirez vous de cette copie d’écran :

Vous devez en particulier définir le répertoire de travail, et choisir l’extension .FITS pour les fichiers FITS. Rassurez-vous, ces paramètres, et bien d’autres, seront retrouvé tels quels lors vous relancerez i-Spec.

Partie 2.2 : Quick-Scan

Cliquez sur l’onglet « Outils », puis l’onglet « SER ». Vous vous trouvez alors dans votre environnement de travail principal. La première chose à faire, très importante, est d’indiquer à i-Spec que l’on travaille sur des SER dans lequel les raies sont enregistrées suivant une orientation horizontale (ce réglage sera conservé, jusqu’à ce que vous le modifiez). Ensuite, comme le précise la copie d’écran suivante, dans la zone Quick-Scan, entrez le nom du fichier SER à traiter (vous pouvez vous aider du bouton « … » pour ouvrir un explorateur de fichier). Indiquez aussi le nom du fichier FITS résultat, l’image du disque extraite - ici on a entrée « sun », mais vous avez toute liberté. Puis un click sur « Ok » :

Le calcul est rapide (plus rapide même qu’avec INTI car ici i-Spec ne fait aucune correction géométrique et la technique de traitement est simplifié au bénéfice de la vitesse). Le fichier image est tel qu’il a été acquis (équivalent du fichier RAW sous INTI) et sauvegardé dans le répertoire de travail. Pour voir le résultat, cliquez sur l’onglet « Image ». On veut visualiser l’image « sun.fits » créée à l’étape précédente. On entre le nom « sun » (pas d’extension dans le nom du fichier), puis un click sur « Afficher » (ou Return, lorsque le curseur est dans la zone d’entrée du nom de fichier). Vous pouvez aussi retrouver l’image à afficher en utilisant un navigateur (bouton dans la partie droite de la fenêtre) :

L’image du Soleil s’affiche dans son format d’acquisition. Habituez-vous à manipuler les curseurs en bas de l’image pour ajuster la luminosité et le contraste (seuils haut et bas). Si la visualisation vous satisfait, vous pouvez la sauvegarder sous le forme d’un fichier PNG (infographie) en cliquant sur le bouton « Sauver » :

Pensez à sélectionner le bouton PNG, sinon c’est une image FITS qui est sauvée. Le résultat est dans le répertoire de travail. Compte tenu de la rapidité des opérations en mode Quick-Can, notez que i-Spec peut aussi être employé au moment des acquisitions.

Partie 2.3 : comment extraire une trame du fichier SER

Pour certaines opérations ou contrôles, il peut être utile d’extraire une ou plusieurs images du spectre depuis le fichier SER (celui-ci peu contenir des centaines de trames, ou images du spectres acquis à haute cadence).


Toujours depuis l’onglet « SER »,  vous avec deux solutions.


Utiliser l’’outil « Extraire une trame dans un fichier SER ». L’usage est évident : vous donnez le nom du fichier « SER », puis le rang de la trame :

Dans l’exemple, c’est la trame de rang 982 qui est extraite, ce qui correspond approximativement à l’image centrale notre fichier SER qui contient 1964 trames (vous pouvez obtenir cette information en utilisant l’outil « Information fichier SER »). On choisit d’appeler cet extrait du fichier SER du nom de « trame » (vous avez tous les choix. Il s’agit d’un nouveau fichier FITS sauvegardé dans le répertoire de  travail.


L’autre façon consiste à utiliser l’outil « Décodage d’un fichier SER ». Vous avez plusieurs choix, avec par exemple la possibilité d’extraire toutes les trames d’un fichier SER sous la forme de fichiers FITS distincts, ou comme ici définir une zone (limitée à la trame 982 dans l’exemple). Cette fois le nom « trame » est un nom dit générique, ce qui signifie que i-Spec ajoute un numéro d’index à la suite du nom. Dans le cas présent, le logiciel va produire le fichier image trame1.fits. Si vous définissez pour la zone d’extraction 621 pour le début et 623 pour la fin, i-Spec produit les fichiers trame1.fits, trame2.fits, trame3.fits. Ceci permet de faire une analyse très fine du balayage analysé, image par image.


Bien sûr, on utilise l’onglet « Image » pour afficher le résultat :

La portion de spectre très filiforme (la zone de cropping sous SharpCap) correspondant à la trame 621 et s’affiche avec un axe de dispersion horizontal (la « norme » en spectrographie).

Partie 2.4 : le fonction de distorsion spectrale

On sait que la forme des raies est une courbure. Cette courbure peut être modélisée par un polynôme de degré 2 dans i-Spec. Nous allons calculer les coefficients de ce polynôme.


A l'aide du curseur, vous notez les coordonnées (X, Y) des coins opposés d'un rectangle qui entoure la ligne, voir l'exemple ci-contre. Il n'y a pas besoin d'être précis, l'essentiel est de d’encadrer la ligne. Vous saisissez ces valeurs dans l'outil "Distorsion", en précisant le nom de l'image pour laquelle le calcul est appliqué :

i-Spec retourne la valor des coefficients du polynôme  après l’appui sur « Ok » : 

Lors de ces opérations, deux images de contrôle qui ont été sauvegardée dans le répertoire de travail. L’image « check1.fits » montre les points dans le coeur de la raie qui ont servi à calculer les paramètres de la distorsion de la raie H-alpha. L’image « check2.fits » montre la forme redressée de la raie. Affichons cette dernière image depuis l’onglet « Visualisation » :

L’outil « Scan2Fits » génère l’image du disque avec les paramètres calculée précédemment (noter que certains champs sont déjà pré-remplis). La coordonnée X est celle du centre de la raie H-alpha (relevé sur l’image « check2.fits », voir à gauche). Vous faites ensuite OK, avec cette fois un temps  de calcul significativement plus long. On décide ici d’appeler l’image du disque « disque1 »  :

Vous pouvez bien sûr examiner l’image «disque1» depuis l’onglet «Image». Si vous remarquez des lignes horizontales, c’est le transversalium causé par des défauts sur le fente, vous pouvez essayer de les gommer avec l’outil «Correction du transversalium». Vous dupliquez le nom de l’image à traiter dans les champs «Référence» et «Entrée». Vous données un nom à l’image à traiter, ici «disque2». Le paramètre «Degé» fixe le facteur de détection du traversalium. La valeur est typiquement comprise entre 4 et 8 - faire des essais. Le paramètre bordure permet d’éliminer des effets de bord (artefacts) aux pôles nord et sud après traitement du transversalium. Ici encore, faites des essais et voyez comment les paramètres agissent. Adoptons par exemple :

La dernière opération à réaliser concerne les corrections géométriques. Contrairement à ce que fait INTI, elle est manuelle, mais cela offre aussi plus de contrôle. On exploite l’outil « Géométrie ». Par exemple, faites :

Nous décidons ici de ne pas réaliser la correction du facteur d’échelle puisque SY/SX=1 ni du tilt, puisque l’angle (en degrés) est nul. Remarquez que la case « Test » a été cochée. Lorsqu’on affiche l’image « disque3 » voici ce que l’on voit : 

En étant attentif vous allez apercevoir un cercle en pointillé qui entoure le disque du Soleil. Aux pôles, ce cercle n’épouse pas exactement le contour du disque. C’est le signe d’un léger défaut d’échelle SY/SX. On applique à présent la valeur trouvée par INTI, soit SY/SX=0,98 (mais inversée car on effectue une correction) :

A présent le disque solaire apparaît parfaitement rond (testez plusieurs valeurs de SX, SY et Tilt, parfois il faudra agir par itération). Profitez de la situation pour relever les coordonnées du centre du disque et son rayon dans la fenêtre de résultat à droite. Arrondi au pixel près, on a ici XC=1016, YC=769, R=646. Relancez ensuite l’outil « Géométrie », mais en décochant l’option « Test », ce qui va éliminer le cercle. 


Depuis l’onglet « Visualisation », sauvegardez l’image traitée dans un fichier FITS avec le nom définitif. Vous pouvez aussi sauvegarder un fichier au format BMP, qui reprend exactement la visualisation actuelle sur l’écran. Voici notre image finale 

A partir de là, plein de possibilités s’offrent. Par exemple vous pouvez exploiter les très nombreuses fonctions accessibles depuis la ligne de commande de i-Spec (la description de toutes ces commandes sort du cadre de cette introduction).


Depuis l’onglet « Outils », ouvrez l’onglet « Ligne de commandes ». Dans la zone en haut de la fenêtre tapez la commande :


disk1  disque3  protu  1016  769  646














Puis, tapez « return ». Vous avez sûrement compris que les paramètres numériques sont les coordonnées du centre du disque et son rayon. Si vous avez un doute sur la syntaxe d’une commande ,tapez simplement son nom puis « Return ». Vous pouvez rappeler d’anciennes commandes avec les flèches haut et bas, vous pouvez les modifier, les relancer en faisant « Return » où que vous vous trouvez dans la ligne édité… La ligne de commande de i-Spec est un outil de « production » très efficace. 


i-Spec génère à partir de la commande « disk1 » l’image d’un disque masqué, qui fait ressortir les protubérances :

Que vous utilisiez INTI ou i-Spec vous pouvez parfaitement choisir la longueur depuis laquelle vous synthétisez le disque à partir d’un même « scan ». Ci-après l’image dans le coeur de la raie H-alpha (X=18), dans l’aile de la raie (X=21, soit un décalage de 3 pixels, ce qui représente  0,37 A ou 17 km/s - voir la partie 4 de la section « Construction »), dans le continuum (X=40, on ne voit plus que la photosphère et les taches) et enfin une image de la rotation solaire en exploitant l’information des ailes rouge et bleue de la raie H-alpha :

X=18

X=21

X=40 -> photosphère

Canal R -> X=16 - Canal V -> (16+ 20) / 2 - Canal B -> X= 20 

C’’est avec ces techniques, somme toute simples, que vous pouvez sonder dans l’épaisseur l’atmosphère du soleil, mesurer des champs de vitesses, mettre en évidence la rotation du Soleil, etc. La quantité d’information que contiens un seul balayage du disque avec un instrument comme Sol’Ex est considérable A vous de la découvrir et de l’exploiter !

Vous pouvez même réaliser un « scan » au couché du Soleil, lorsqu’il passe la ligne d’horizon.

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