Comment améliorer la résolution des images planétaires

[CPI-Z 1 222]

Dans ce domaine l’imagerie numérique fut une véritable révolution en particulier depuis les logiciels de recentrage et d’addition d’images (stacking) qui maintenant travaillent en plus par découpage des images en zones.

 

Ces techniques permettent de filtrer en partie la turbulence et d’augmenter considérablement le rapport signal/bruit. En fait sur un grand nombre d’images il reste toujours une petite nombre qui sont un peu moins perturbées par la turbulence. Ces Freeware de traitement on également bien évolués jusqu'à la dérotation .

Mais au final, pour des télescopes amateurs de grands diamètres même si ces techniques ont améliorés considérablement les résultats, atteindre la résolution théorique est quasiment impossible.

 

Existe-t-il une technique pour réduire les effets perturbateurs de la turbulence, ou au moins les réduire de manière conséquente ? La réponse est OUI c’est l’optique adaptative (OA).

Chaque image de la vidéo serait alors corrigée. Et même si la correction n’est pas parfaite, sur l’ensemble des images traitées le pourcentage de bonnes images serait accru et améliorées, le résultat final en serait grandement bonifié.

 

Coté professionnel l’OA est dynamique par correction optique en temps réel à l’aide d’un miroir déformable piloté selon les informations fournies par un analyseur front-d’onde type Shack-Hartmann et de lourds calculateurs. Cette OA dynamique a aussi besoin d’une source ponctuelle, une étoile dans le champ ou un laser puissant qui se réfléchi sur la haute atmosphère.

Elle est donc peu ou pas compatible avec les images étendus type planétaire. De plus son prix et sa complexité n’est pas à la portée des astro-amateurs que nous sommes.

 

Mais on a le droit de rêver …

Alors depuis des années j’ai cherché des solutions pratiques jusqu’au jour où par hasard j’ai utilisé la déconvolution avec ImageJ un soft gratuit orienté traitement d’images médicales qui a une grande quantité de plugins.

La déconvolution sur PSF (image d’une étoile) m’a laissé entrevoir des possibilités.

 

Cela m’a conduit à un premier protocole.

Ce protocole consiste à prendre une vidéo de la planète, puis dans la foulée capturer une seconde vidéo d’une étoile proche. Comme je ne dispose que d’une caméra de premier prix, elle est très bruyante, donc il me faut beaucoup d’images d’acquisition.

Dans l’exemple ci-après, le gif animé Lune.gif la comparaison entre l’image brute sortie du stacking et le résultat par déconvolution est flagrante. Comme le gif compressé est pixelisé j’ai mis aussi les 2 images pour les examiner avec un zoom.

Lune 10000 images 80 % retenues et pour la PSF étoile, 10000 images et 60 % retenues.

PS:  @Lucien le développeur du freeware AstroSurface, sur ma demande et dans ses filtres a amélioré Wiener déconvolution qui devient alors plus efficace et plus confortable que le plugin d’ImageJ. (Encore merci à toi).

 

 

 

On constate que la PSF est bien déformée, premièrement parce que je n’ai pas d’ADC (correcteur de dispersion atmosphérique) et secundo parce que le télescope est loin d’avoir une optique parfaite. La déconvolution corrige les deux.

En résumé si l’on dispose de la bonne PSF « réelle » la déconvolution fonctionne bien pour retrouver la résolution théorique.

 

J’ai fait aussi des simulations sur PSF tavelure (image déformée d’étoile) ressemblant à celle que l’on observe dans un T600 ou un T1m, la déconvolution fonctionne toujours, mais encore une fois il faut disposer de la bonne PSF.

 

La solution est une OA en post-traitement, qui retrouve la PSF par calcul sur directement l’image de la planète cet objet étendu. Et si possible ne nécessitant pas du matériel onéreux dans la chaîne optique du télescope. La déconvolution image par image fera le reste.

 

Une solution existe, découverte par Gonsalves en 1982, mais qui dans son contexte ne fonctionne que sur des front-d’ondes faiblement déformés (< 2 λ).

Après moult recherche sur le Net la chance m’a conduit sur une publication ressente qui reprend l’idée, une version modifiée bien plus efficace, la correction fonctionne jusqu’à 11 λ et accepte du bruit jusqu’à 20dB.

Concernant le bruit on peut aussi le réduire directement lors de l’acquisition avec le soft de capture et de manière complémentaire à l’aide d’un soft de prétraitement. Et 11 λ de déformée c’est une large plage pour des images de télescopes d’amateurs.

La solution de principe est donc trouvée ().

 

Sur le plan matériel au niveau du télescope, est-ce abordable ? Là aussi j’ai trouvé une solution simple, un kit optique à placer devant la caméra et pas onéreux. En tous les cas on est très très loin du coût d’une OA dynamique.

 

Reste à trouver le soft pour cette OA par post-traitement qui calcul la PSF ou les PSFs pour chaque image. De ce coté je n’ai rien trouvé sur le Net. Il semble que ce type de soft soit classé « sensible » réservé à certaines images aériennes ou satellitaires … , mais le principe scientifique lui ne peut-être que libre.

 

C’est ici que je fais appel à vous pour la recherche d’un développeur du logiciel ad-hoc dédié à nos images planétaires.

On m’a confirmé que la publication évoquée contient les informations suffisantes pour élaborer le logiciel. Le développeur doit avoir des compétences dans le domaine de l'imagerie scientifique, les transformées de Fourier ... et maîtriser la résolution d’une équation de coût par itération avec l’algorithme L-BFGS.

Alors connaissez-vous une telle personne ? si possible aussi astro-amateur de par sa pratique et sa connaissance des difficultés en imagerie planétaire. Pour moi il serait regrettable pour notre communauté d’astro-amateurs qu’une entreprise privée se réserve cette avancée technique dans un but commercial.

 

CPI-Z

Modifié 9 mars 2021 par CPI-Z

[Lucien 11 292]

Bonjour,

 

Comme je te l'avais indiqué et afin de ne pas trop passer de temps devant l'écran, je ne me lancerai pas dans la programmation nécessaire.

Il y a des sites peut-être plus adaptés à la recherche d'algorithmes et de programmeurs.

Sur lesquels on peut échanger en forum ou rechercher des compétences.

Comme le site stackoverflow :

 

https://stackoverflow.com/questions

 

Lucien

Modifié 9 mars 2021 par Lucien

[xs_man 1 842]

Salut Lucien,

salut CPI-Z,

 

Seulement 2 réponses pour ce sujet particulièrement intéressant, j'hallucine !!!

 

J'espère sincèrement que cela va aboutir et je suivrais ce projet avec très grand intérêt.

C'est très prometteur.

 

Et pendant ce temps ça continue du côté Topaz.... 13 pages de messages !!

Je rêve !

 

Albéric

Modifié 9 mars 2021 par xs_man

[penn 20 252]

J'espère que tu trouveras le développeur qui pourra finaliser ce projet ! 

Merci Jean-Pierre de ton investissement pour l'amélioration des images planétaires  

Modifié 9 mars 2021 par Penn

[christian viladrich 7 670]

Intéressant ! Malheureusement, je serais bien en peine de donner un coup de main.

Juste par curiosité. Quelle serait la méthode implémentée ? Dans les méthode post -facto, il y a eu la méthode "phase diversity deconvolution" qui a été utilisée avec succès en solaire. Pas besoin d'AO, mais uniquement de deux images prises en même temps: un image nette et une image défocalisée.

[christian viladrich 7 670]

Tant que j'y pense, tu pourrais en parler à Emil ? Il y a longtemps, j'avais évoqué avec lui des méthodes de speckle deconvolution utilisées par les pro en solaire. En fait, il avait déjà testé un ou deux trucs de son côté.

 

Sur Cloudy Night, il y a également un très long post d'un informaticien Allemand qui a développé un soft de traitement d'images (types AS, AstroPlanete, etc.). A voir s'il serait tenté de se lancer dans l'aventure ?

[christian viladrich 7 670]

Voilà, j'ai retrouvé. C'est Rolf Hempel, Directeur de l'Institute for Software Technology, qui dépend du DLR. Bref, si tu arrives à le convaincre, tu as gagné

https://www.dlr.de/sc/en/desktopdefault.aspx/tabid-1177/1651_read-1362/

https://www.cloudynights.com/topic/645890-new-stacking-software-project-planetarysystemstacker/

 

[Great gig in the sky 7 317]

Il y a 1 heure, xs_man a dit :

Seulement 2 réponses pour ce sujet particulièrement intéressant, j'hallucine !!!

Sûrement parce que peu ici ont les compétences pour être d'une aide quelconque. Mais ça n' empêche pas de suivre avec intérêt ce projet.

[jldauvergne 15 087]

Le 08/03/2021 à 14:31, CPI-Z a dit :

En résumé si l’on dispose de la bonne PSF « réelle » la déconvolution fonctionne bien pour retrouver la résolution théorique.

Dans mes essais wiener fonctionne d autant mieux qu'on donne une psf idéale de l'instrument. Je ne suis pas parvenu à corriger des defauts comme la coma. Pas de conclusion définitive mais je me demande si va marche bien.

 

Pour le reste je te rejoins, j'ai déjà suggéré le developpement d'un tel algo. Si il ballayais les 15 premiers polynomes de Zernike en deconvolution aveugle pour chercher la solution qui contient le plus d'information, ce serait très intéressant 

J'ai néanmoins peur que le bruit des brutes soit une limite, de même que la puissance de calcul requises. L'histoire du bruit pourrait se contourner en évaluant toutes les sommes possibles avec toutes les deconvolutions possibles sur les brutes, ... mais là pas de doute que la puissance de cancul n'est pas terrestre

[PhilouB 1 073]

Et bien, il y a Topaz denoise et Topaz sharpen   OK, je sors ...

[ZeMrHyde 437]

il y a 7 minutes, jldauvergne a dit :

L'histoire du bruit pourrait se contourner

un peu un truc dans ce style ?  

https://core.ac.uk/download/pdf/15493988.pdf

 

[ZeMrHyde 437]

Le 08/03/2021 à 14:31, CPI-Z a dit :

calcul la PSF ou les PSFs pour chaque image

 

ça  ? https://www.astromatic.net/2010/11/08/psfex-release

 

Modifié 9 mars 2021 par ZeMrHyde

[Lucien 11 292]

Il y a 12 heures, christian viladrich a dit :

Juste par curiosité. Quelle serait la méthode implémentée ? Dans les méthode post -facto, il y a eu la méthode "phase diversity deconvolution" qui a été utilisée avec succès en solaire. Pas besoin d'AO, mais uniquement de deux images prises en même temps: un image nette et une image défocalisée.

Bonjour Christian,

Oui c'est tout à fait ça le sujet ici.

Il y a eu des implémentations de faites, je n'ai pas recensé.

Il est certain que certaines fonctions sophistiquées et vraiment abouties ne sont pas données gratuitement sur Internet.

 

D'un autre côté, il y a l'idée simple de faire la déconvolution de chaque image d'une vidéo avant de faire les opérations habituelles.

Étant donné que j'ai ça dans certains de mes outils; j'en présenterai le résultat prochainement.

Mais ce n'est pas une révolution.

 

Le 08/03/2021 à 14:31, CPI-Z a dit :

Mais on a le droit de rêver …

Bonjour Jean-Pierre,

Je te tiens au courant si je peux me dégager du temps par la suite mais ce ne sera pas avant plusieurs mois.

 

Lucien

 

 

 

Modifié 10 mars 2021 par Lucien

[CPI-Z 1 222]

Il y a 17 heures, jldauvergne a dit :

Dans mes essais wiener fonctionne d autant mieux qu'on donne une psf idéale de l'instrument ...

Ce n'est pas logique puisque justement un speckle ou tavelure est justement une psf déformée, et une coma n'est qu'un type de psf déformée.

 

Par contre sur une image d'objet étendu la psf n'est pas forcement la même au centre et au bord. A chaque zone sa PSF , il faudrait donc entrevoir une solution par découpage en zones un peu comme le fait AutoStakkert ou AstroSurface en stacking.

 

Concernant le bruit 20dB c'est déjà pas négligeable et on a aussi la propriété de la convolution.

Donc on peut réduire le bruit en travaillant par petite séquences courtes dans le temps (un groupe d'images réduisent le bruit), sans pour autant ne pas perdre l'avantage de l'exploitation de l'ensemble de la vidéo.

Ne pas oublier en plus les pré-filtres de bruit.

Modifié 10 mars 2021 par CPI-Z

[CPI-Z 1 222]

Il y a 6 heures, Lucien a dit :

Je te tiens au courant si je peux me dégager du temps par la suite mais ce ne sera pas avant plusieurs mois.

Là c'est un gros changement

Il faudrait que l'on en discute pour cerner le cadre du besoin,

Un commencement réel pas avant plusieurs mois, en ce qui me concerne c'est sans problème ...

 

 

Modifié 10 mars 2021 par CPI-Z

[ZeMrHyde 437]

Il y a 5 heures, CPI-Z a dit :

il faudrait donc entrevoir une solution par découpage de zones

c'est un peu le sens des recherches que j'ai pu voir vite fait : au delà de chercher une psf unique, les gens cherchent à estimer la psf correspondante à une zone particulière de l'image pour corriger les déformations locales. A la fin, ils n'ont donc pas une seul psf mais un champ de psf pour corriger l'image de façon plus précise sur tout le champ. 

Ce genre de truc on le retrouve en astro mais aussi en imagerie medicale, genre imagerie par fluorescence.... 

Mais l'estimation des psf repose sur des d'étoiles présentent dans l'image ou bien à partir d'une mire de sources ponctuelles (dans le cas d'imagerie médicale), du moins dans les papiers que j'ai vu voir rapidement. 

 

Estimer la psf à partir d'une image quelconque n'a pas l'air trivial. 

Pourtant, le soft SmartDeblur genère une psf non ? il fait comment ? 

 

C'est sans doute pas pertinent mais est ce qu'on pourrait imaginer une méthode itérative pour estimer la psf ? genre :

- on part d'une psf théorique à partir des paramètres du train optique : diamètre du scope, échantillonnage (si c'est possible ? )

- deconvo  avec cette psf théorique

- et ensuite on mesure une(des) métrique(s) entre l'image originale et l'image deconvo qu'on va chercher à minimiser/maximiser en modifiant la psf theorique de départ, itérativement ? 

 

c'est sans doute bien naïf, j'avoue ne pas être du domaine, et les maths derriere tout ça me sont totalement hors de portée

je réfléchis un peu à voix haute  

mais le projet est super intéressant ! 

 

 

 

[CPI-Z 1 222]

Il y a 1 heure, ZeMrHyde a dit :

A la fin, ils n'ont donc pas une seul psf mais un champ de psf pour corriger l'image de façon plus précise sur tout le champ. 

Oui c'est l'idée.

 

Il y a 1 heure, ZeMrHyde a dit :

Mais l'estimation des psf repose sur des d'étoiles présentent dans l'image ou bien à partir d'une mire de sources ponctuelles (dans le cas d'imagerie médicale), du moins dans les papiers que j'ai vu voir rapidement. 

 

Estimer la psf à partir d'une image quelconque n'a pas l'air trivial. 

Pourtant, le soft SmartDeblur genère une psf non ? il fait comment ? 

L'estimation des psf repose sur des d'étoiles ... ça c'est la méthode classique par exemple développée dans l'OA dynamique ou pour le contrôle d'une optique.

Le soft SmartDeblur genère une psf non ? Oui c'est ce qu'on appel la déconvolution aveugle qui fonctionne "partiellement". AIDA produit aussi une psf estimer et comme tu le décris avec la possibilité supplémentaire de partir d'une psf initiale. Ils utilisent certainement des méthodes itératives. Comment ils fonctionnent réellement je ne sais pas et je n'ai rien trouvé sur leurs méthodes réelles.

 

Ici on parle de diversité de phase connue depuis 1982 où il faut au minimum 2 images simultanées dont les écarts (de phase) sont connues. La version la plus simple est une simple défocalisation connue.

Voici le principe de base:

Il faudrait donc 2 caméras parfaitement synchronisées ce qui est quasiment impossible (ou coûteux).

 

L'idée du kit à placer devant la caméra que je propose est bien plus accessible, un télescope et une seule caméra, celle dont vous disposez déjà.

L'image focalisée et l'image légèrement défocalisée sont capturées sur le même capteur, donc parfaitement synchronisées et séparées géographiquement sur le capteur.

Il suffit de translater l'un des 2 miroir d'une quantité mesurée donc connue.

En résumé la mise en œuvre est largement accessible et très très loin du coût d'une OA dynamique avec analyseur de type Shack-Hartmann qui en plus est non adapté aux objets étendus, l'imagerie planétaire ou la Lune.

Il y a aussi le travail par post-traitement ce qui laisse tout le temps nécessaire au logiciel.

 

Mais reste tout de même la création du logiciel s'appuyant sur la publication trouvée, d'où ce post.

Modifié 10 mars 2021 par CPI-Z

[jldauvergne 15 087]

il y a 8 minutes, CPI-Z a dit :

L'image focalisée et l'image légèrement défocalisée sont capturées sur le même capteur

c'est une bonne idée. Je ne suis pas compétent pour juger si c'est réalisable, mais c'est intéressant et pas forcément très compliqué à développer optiquement (composants standards). 

[ZeMrHyde 437]

il y a 14 minutes, CPI-Z a dit :

Ici on parle de diversité de phase connue depuis 1982 où il faut au minimum 2 images simultanées dont les écarts (de phase) sont connues.

y'a même des travaux récents à base de Deep Learning (qui devraient plaire à JLD   )

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.04.05.026567v1.full.pdf

c'est dans le domaine de la microscopie, mais ils ont un peu les mêmes problèmes que "nous" 

 

[CPI-Z 1 222]

il y a 2 minutes, ZeMrHyde a dit :

mais ils ont un peu les mêmes problèmes que "nous" 

Oui et Non car en microscopie (surtout en fluo) on pratique des défocalisation successives de pas connus. De là on reconstruit la psf mais en 3D. Si tu pratique la microscopie ImageJ à déjà ce plugin disponible gracieusement. PS : il y en a d'autres comme ICY avec son plugin EpiDEMIC.

Par contre en astro comment prendre une série de défocalisations synchrone avec la turbulence qui change tout le temps ?

[ZeMrHyde 437]

il y a 7 minutes, CPI-Z a dit :

en astro comment prendre une série de défocalisations synchrone avec la turbulence qui change tout le temps ?

avec le système à miroir que tu proposes ?  

 

[Kaptain 5 873]

L'IA fait des merveilles en tous cas, en refaisant en 4K le premier film des frères Lumière !

 

 

Ce serait intéressant de voir l’algorithme utilisé.

 

[ZeMrHyde 437]

il y a 3 minutes, Kaptain a dit :

Ce serait intéressant de voir l’algorithme utilisé

 

dans la description de la video de l'auteur sur youtube : 

Citation

Algorithms that were used:

››› To upscale to 4k – Gigapixel AI – Topaz Labs https://vc.ru/76580

››› To add FPS – Dain, https://sites.google.com/view/wenboba...

 

Topaz a encore frappé !  

[jldauvergne 15 087]

il y a 9 minutes, ZeMrHyde a dit :

Topaz a encore frappé !

il est super pertinent en terrestre et s'en est une bonne illustration. 

[jgricourt 157]

Je ne suis pas certain de bien comprendre l'idée, je m'en était arrêté aux basiques du traitement du signal où l'on sait mathématiquement construire le signal de sortie d'une boite noire (un instrument d'optique par ex) à partir à la fois du signal source envoyé en entrée mais aussi à partir de la réponse impulsionnelle (un Dirac en entrée) de cette boite noire ce que l'on résume par :  image = source * PSF (* = opérateur de convolution).

 

Donc connaissant la PSF qui n'est ni plus ni moins la réponse impulsionnelle de l'instrument d'optique qui est ici l'image d'une étoile (lumière de une source ponctuelle) ainsi que l'image pale copie de la source produite par l'instrument on peut retrouver l'image de la source débarrassée de ses imperfections. Le filtre Wiener est l'application directe de ce principe qui en plus prend en compte la composante "bruit" dans le signal : https://fr.wikipedia.org/wiki/Déconvolution_de_Wiener

 

Impulsion = étoile --------> [Instrument] ---------> PSF

Wiener (image moche, PSF) ---------> Image restaurée

 

On pourrait éventuellement refaire le même raisonnement lorsque le filtre n'est plus l'instrument mais la turbulence ... le soucis c'est que le turbu est loin d'être uniforme sur une grande surface de ciel (pour capturer la PSF) et en plus elle change très vite dans le temps, juste pour dire que je ne crois guère aux miracles on ne pourra jamais retrouver une info qui n'existe pas dans le signal sauf avec l'IA bien sûr pour qui c'est un jeu d'enfant 

 

Je pense que la plupart d'entre vous connaissez déjà tout ça dans les moindre détails et donc bien mieux que moi, par contre je vais me renseigner sur cette méthode de recherche de phase pour me mettre un peu à jour ...  

Modifié 10 mars 2021 par jgricourt