L'imagerie webcam de Mars

L’Acquisition d’image | Le traitement d’image

Un grand merci à Jean-Christophe Dalouzy, membre de la société astronomique de Rouen, pour cet article qu'il nous a fourni et qui devrait rendre service à tous les webcamés débutants.

A) Introduction

En cette année 2003, la planète Mars sera idéalement placée pour l'observation mais aussi pour l'imagerie. De nombreux détails seront observables à sa surface et pourront être immortalisés sur une pellicule photo ou sur un capteur numérique. Dans ce chapitre, je vais essayer de vous donner toutes les clefs pour vous permettre de réaliser des images de Mars à l'aide d'une webcam et aussi de vous persuader qu'il n'est pas forcément nécessaire d'avoir un très gros matériel pour obtenir de bons résultats.

Image Ph Ledoux

Après une rapide présentation des conditions d'observation et d'imagerie de la planète nous allons aborder plus précisément le sujet qui nous intéresse. Une large part sera réservée à toute la partie acquisition d'image puis une seconde partie sera consacrée au traitement des images obtenues. Pour finir par un petit paragraphe sur la réalisation d'images un peu plus exotiques mais toujours relatives à Mars et qui pourront être tentées avec une webcam.

B) Les conditions d’observation de la planète durant le mois d’août 2003

Ce n'est pas arrivé depuis 73 000 ans ! En effet, il faut remonter à l'homme de Néanderthal pour trouver Mars aussi proche de la Terre que cette année. L'événement est donc bel et bien exceptionnel et tous les mordus de l'astro ne doivent surtout pas le rater.

La distance séparant la Terre de la planète Mars sera, lors de l'opposition, le 28 août 2003, d'un peu moins de 56 millions de kilomètres. La planète atteindra alors une magnitude de -2,8, plus brillante que Jupiter, et aura une taille de 25,1 secondes d'arc, ce qui, dans un télescope, est plus grand que le globe de Saturne ! Le spectacle s'annonce donc grandiose. Le seul point noir au tableau est sa déclinaison de -15° lors de l'opposition, ce qui représente une hauteur par rapport à l'horizon d'un peu moins de 25° pour le Nord de la France et de 30° environ pour le Sud de la France lors du passage de la Planète Rouge  au méridien.

Les images ci-dessous représentent les différences de taille entre plusieurs planètes. Elles ont toutes les trois été faites avec le même matériel : un télescope Schmidt Cassegrain de 200 mm de diamètre, une lentille Barlow x2 et une webcam Vesta Pro. Cela permet ainsi de bien apprécier la taille qu'aura Mars lors de l'opposition.

Images JC Dalouzy

Mars est une planète très intéressante à observer car elle possède de beaux détails à sa surface : des zones sombres, des zones plus claires et bien sûr deux calottes polaires. Ces détails sont déjà repérables visuellement avec un télescope de 115 mm de diamètre. Les plus belles formations sombres sont : Syrtis Major, Utopia, Mare Acidalium, Mare Erythraeum. Les zones claires facilement identifiables sont les plaines Hellas, Chryse et bien sûr les deux calottes polaires.

Voici un planisphère de la planète qui pourra vous aider à reconnaître ces formations sur vos images webcam :

En plus de ces formations, il est possible d'observer et donc de photographier les phénomènes météorologiques de la planète (Tempête de sable, lever de brume matinale.). De par leur nature imprévisible, ces phénomènes sont d’autant plus intéressants et peuvent être un bon challenge pour l'imagerie d'amateur.

C) L’imagerie webcam

I) Généralités

Le grand ennemi de l'amateur désirant faire de l'imagerie planétaire c'est la turbulence de l'air. Avant que les capteurs numériques n'apparaissent, seule la photographie argentique, avec une pellicule classique, permettait d'obtenir des clichés des planètes. Mais de plus en plus, pour le planétaire notamment, les caméras numériques ont complètement supplanté le bon vieux film photo 24x36. Leur avantage essentiel est leur sensibilité. En photographie classique pour faire des photos des planètes (et de Mars en particulier), il était nécessaire de faire des poses de plusieurs secondes. Pour obtenir de bons résultats les conditions de turbulence devaient être exceptionnelles (l'air devait être stable durant toute la durée de la pose, ce qui n'arrive que quelques fois par an). Mais maintenant, grâce aux capteurs numériques, les temps de pose sont de l'ordre du dixième, voir du centième de seconde. Ces temps de pose extrêmement courts permettent quasiment de figer la turbulence ou tout du moins d'obtenir des images dans les « trous de turbulence » et donc d'avoir de meilleurs résultats qu'en photographie argentique. Si on y rajoute la puissance de l'ordinateur et du traitement d'image, on comprend alors très bien pourquoi les capteurs numériques ont complètement remplacé la pellicule traditionnelle.

 Mais le gros inconvénient du numérique réside dans le prix. Il existe de très bonnes caméras astronomiques, qu'on appelle caméra CCD ( Charge Couple Device ), mais leur prix varie de 1200 à plus de 15000 € ! C'est pourquoi certains amateurs ont eu l'idée géniale de détourner les webcams de leur utilisation première pour en faire de véritables petites caméras astronomiques à part entière et pour un coût beaucoup plus faible !

II) Gros plan sur la webcam

A l'origine, ces petites caméras étaient prévues pour la visioconférence sur internet. Elles possèdent un capteur CCD ou CMOS que certains astronomes ont eu l'idée de mettre au foyer de leurs instruments. Mais de par leur temps de pose réduit (1/15ème de seconde pour les caméras non modifiées), seuls les objets brillants leur sont accessibles. La Lune, le Soleil et les planètes sont donc leur domaine de prédilection.

Toutes les webcams actuellement disponibles sur le marché ne conviennent pas forcément à l'imagerie astronomique : il faut impérativement qu'elles possèdent un capteur CCD et non un capteur CMOS. Même si d'anciens modèles (comme les Qc VC, Qc noir et blanc et Vesta Pro) peuvent encore se trouver d'occasion sur Internet, actuellement la seule webcam utilisable en astronomie et dont l'achat est facile, est la Philips ToUcam Pro (son prix est de 120 € environ).

Les webcams les plus utilisées sont les Vesta Pro et les ToUcam Pro. De plus, elles ont un capteur couleur et permettent donc de faire de l'imagerie couleur sans avoir recours à la méthode de la trichromie (recomposition d’une image couleur à partir de trois images individuelles faites au travers de trois filtres colorés, rouge, vert et bleu).

Ces webcams ont une sortie sur port USB, ce qui veut dire que votre ordinateur devra impérativement posséder au moins une prise USB. De plus, elles sont assez exigeantes en terme de ressources informatiques. Il faudra donc vous doter d'un ordinateur (si possible portable car beaucoup plus pratique à transporter sur le terrain) assez récent, avec une vitesse horloge d'au moins 500 MHz et un minimum de 16 Mo de Ram. Un gros disque est fortement conseillé car les films enregistrés par la webcam, prennent rapidement plusieurs centaines de Mo ! 20 Go de disque dur semble donc un bon minimum. Si la caméra en elle-même n’est pas très chère, en revanche l’ordinateur nécessaire pour la faire fonctionner est relativement coûteux.

III) Adaptation de la webcam sur le télescope et système grossissant

Une fois votre webcam achetée, vous constaterez qu'elle possède un objectif qui permet de former l'image sur le capteur lors d'une utilisation courante. Dans cet objectif, il y a un filtre qui coupe les infra-rouges (les capteurs CCD sont assez sensibles à l'infra-rouge) et également des lentilles. Malheureusement celles-ci sont en plastique, et de ce fait de trop mauvaise qualité optique pour être utilisable en astronomie. Il faut par conséquent enlever l'objectif pour adapter la webcam sur le télescope. C'est ce dernier qui jouera alors le rôle de l'objectif.

Dans le cas des webcams de marque Philips (ToUcam Pro et Vesta Pro), cette opération est aisée, puisque l'objectif est amovible. Il suffit juste de le dévisser : un pas fileté apparaît et au fond de la caméra, le petit capteur CCD.

La plupart des télescopes du commerce possèdent un coulant de 31,75. Il faut donc trouver un système permettant d'adapter la webcam sur du 31,75. Pour cela deux solutions : coller une boite de pellicule photo (dont certaines ont le diamètre tant recherché, notamment celles de marque Fujicolor) sur le capot de la caméra, mais dans ce cas, il faut faire très attention que cet adaptateur soit rigoureusement perpendiculaire au capteur. Sinon, lors de la prise de vue, un côté de l'image sera net et pas l'autre. La seconde solution est d'utiliser le pas fileté et de faire usiner un adaptateur en métal (aluminium par exemple) possédant d'un côté un filetage correspondant au filetage de la webcam et de l'autre le coulant 31,75.

Philips Vesta Pro avec son adaptateur au coulant 31,75 - Image JC Dalouzy

Ce système d'adaptation peut être utilisé avec deux configurations possibles : la webcam placée directement au foyer du télescope (intéressant pour l'imagerie solaire ou la mosaïque lunaire) ou bien placée sur une lentille de Barlow, elle-même mise au foyer du télescope. Si l'on veut utiliser un oculaire de projection, il faudra concevoir un système différent et plus complexe permettant d’insérer et de fixer dans l'adaptateur un oculaire.

2 lentilles de Barlow et, au milieu, l’adaptateur pour la webcam - Image JC Dalouzy

Pour l'imagerie webcam de Mars, il faut pousser la focale du télescope jusqu'à un minimum de 4 mètres. Pour cela, on peut utiliser une lentille de Barlow x2 ou x3 dans le cas des télescopes de type Schmidt-Cassegrain ou Maksutov-Cassegrain,... Et de tous les instruments possédant une focale de départ suffisamment longue. Dans le cas des télescopes de Newton, l'utilisation d'un oculaire de projection est mieux indiquée.

 Dans tous les cas, il faudra prendre une très bonne qualité optique et le haut de gamme des lentilles de Barlow (voici quelques exemples de Barlow : la Meade x2 Apo, ou toutes celles de la gamme Télévue…). Le prix de cet accessoire est de l’ordre de 150 à 200 €.

IV) Les télescopes utilisables pour l’imagerie webcam

En théorie n'importe quel instrument peut être utilisé pour faire de l'imagerie webcam. Il s’agit là aussi d'un avantage par rapport à l'imagerie argentique. Il y a quelques années, il était totalement impensable d'obtenir des détails sur Mars en photographie traditionnelle avec un télescope de 115 mm par exemple. Mais maintenant grâce à la webcam, on peut même utiliser une lunette de 60 mm ! Bien évidemment la qualité des résultats sera proportionnelle au diamètre et à la qualité optique de l'instrument. Mais chacun avec son instrument, et même avec un instrument d'entrée de gamme, peut obtenir des résultats intéressants et assez rapidement.

Mars lors de l’opposition 2001 faite avec un 115mm - Image E Bonduelle

Néanmoins, l'instrument le plus souvent utilisé en imagerie webcam planétaire est l'incontournable télescope Schmidt-Cassegrain. Avec un rapport F/D de 10, il permet avec l'adjonction d'une Barlow x2 ou x3 d'arriver à des focales compatibles avec une imagerie planétaire de qualité

Cependant, j'insisterai plus sur la monture du télescope. Il est fortement conseillé qu'elle soit équatoriale et si possible motorisée (au moins en ascension droite) pour compenser la rotation de la Terre et également pour éviter les rotations de champ lors de la prise de vue. Il est assez illusoire de faire de bonnes images webcam avec une longue focale sur une monture azimutale.

V) Les conditions de prise de vue et le réglage de votre instrument

1) La turbulence

Même si vous possédez le meilleur instrument avec une qualité optique parfaite, son « défaut » sera toujours qu'il est sur Terre et donc soumis aux aléas des mouvements de notre atmosphère. La prise de vue des planètes et de Mars en particulier nécessite des conditions atmosphériques éminemment favorables. Par là, il faut entendre que la turbulence doit être faible pour obtenir des résultats intéressants.

Physiquement, il s'agit de mouvements d'air provoqués par des masses d'air de différentes températures. C'est ce qui fait « danser » les images au dessus d'un radiateur, ou c'est ce qui fait scintiller les étoiles. En imagerie planétaire, la turbulence est l'ennemie numéro 1 contre laquelle il faut se battre constamment car elle brouille les plus fins détails de la planète.

Mars au milieu d’une belle turbulence … Image Ph Ledoux

Elle est due à deux phénomènes : « la turbulence instrumentale » et « la turbulence atmosphérique ». La première est due à la différence de température entre l'instrument et l'air ambiant. Celle-ci peut être combattue en mettant l'instrument en température, c'est à dire en mettant le télescope à l'extérieur pendant au moins 30 minutes avant de commencer des prises de vue (ne pas oublier les accessoires et la webcam).

La seconde est beaucoup plus ennuyeuse puisqu'on ne peut rien faire pour y remédier ! On peut quand même éviter la proximité des cheminées, des maisons, des terrasses en béton, et éviter d'observer à travers une fenêtre ouverte. Mais il restera toujours celle de la haute atmosphère. Et là, il n'y a qu'à attendre une belle nuit (pour en juger, regardez les étoiles : si elles scintillent au zénith, ne sortez même pas ! Mais si elles sont parfaitement ponctuelles, même basses sur l'horizon, attendez-vous à de bonnes conditions). Toutefois pour juger plus précisément les conditions de turbulence, il faut observer une étoile fortement grossie. Juste pour indication (bien évidemment cela dépend des lieux ) : quelques nuits par mois sont assez peu « turbulentes » et seulement quelques nuits par an sont sans aucune turbulence !!! Il faut donc profiter au maximum de ces rares nuits !

Cependant, il faut quand même relativiser. Même si la turbulence est rarement nulle, lors des nuits de turbulence moyenne à faible, il y a toujours des trous de turbulence dans lesquels les mouvements d'air se calment et permettent d'obtenir tout de même des images détaillées. Comme la webcam filme la planète, on obtiendra forcément des images dans ces trous, qui seront de bonne qualité et qu'il faudra sélectionner pour le traitement : nous verrons tout cela en détail un peu plus loin.

2) La collimation

Voyons maintenant, un point important qui s'adresse qu'aux possesseurs de télescope : il s'agit de la collimation. Sous ce nom se cache tout simplement le réglage des miroirs. En effet, un défaut d'alignement de ces derniers entraîne une perte de luminosité et de contraste de l'image. Vous l'aurez compris, pour l'obtention de bons résultats, il s'agit d'une étape obligatoire avant chaque prise de vue planétaire. Je vais la détailler rapidement

Il serait souhaitable de refaire la collimation avant chaque prise de vue et même avant chaque pointage de l'instrument !!! En réalité, la résolution est souvent plus limitée par la turbulence que par la collimation. Lorsque la turbulence est faible la collimation doit être impérativement refaite avant la prise de vue. Je vais surtout détailler la collimation des télescopes Schmidt Cassegrain car ce sont les instruments les plus répandus chez les amateurs, sachant que la collimation d’un Newton est semblable.

Une petite décollimation transforme votre Schmidt Cassegrain en un instrument de piètre qualité. La collimation sur ce genre d'instrument se fait en vissant ou en dévissant les 3 petites vis qui tiennent le miroir secondaire.

Attention, il ne faut jamais que l'une des 3 vis soient serrées au maximum car une contrainte sur le miroir secondaire apparaîtrait, de même, il ne faut jamais que l'une des vis soit totalement libre car alors le miroir aurait du jeu. Dernier point : certains télescopes comportent une 4° vis, en position centrale sur le support du miroir secondaire, qui ne doit jamais être touchée car c'est elle qui maintient le miroir secondaire dans le télescope : un miroir secondaire qui se détache et vient fracasser le miroir principal au fond du télescope est une expérience douloureuse, tant pour le porte-monnaie que pour l'amour-propre !

La première chose à faire lors de la collimation est d'attendre la mise en température de l'instrument car la dilatation thermique fait bouger l'alignement des miroirs. On pointe tout d'abord une étoile dans le même secteur que la planète à « webcamer », puis on prend un oculaire de longue focale et on défocalise fortement l'étoile. On obtient alors l'image ci-dessous :

Image JC Dalouzy

Il faut que le cercle noir (qui représente le miroir secondaire) soit parfaitement centré par rapport au grand cercle blanc. Ceci représente la première étape. Il faut ensuite grossir environ 300 fois une étoile et la défocaliser en intra et en extra focale, on obtient alors une image comme ci-dessous :

Image JC Dalouzy

On voit très bien un point lumineux au centre et des cercles concentriques centrés sur cette étoile, il faut que l'ensemble soit parfaitement centré. Si ceci est fait en intra et en extra focale, la collimation peut être jugée comme acceptable, c'est la seconde étape.

Mais le mieux, que je recommande de faire, et qui constitue la troisième et dernière étape, c'est de collimater sur les disques d'Airy. Ils s'obtiennent en grossissant fortement une étoile (au moins 1,5 fois le diamètre de votre instrument) et en faisant une très bonne mise au point sur l'étoile. C'est une étape délicate qui demande des conditions atmosphériques très propices. C'est pourquoi la majeure partie du temps, on s'arrête à l'étape deux.

3) La mise en station

Continuons dans les réglages de l'instrument avant la prise de vue, car je le répète, ce sont ces réglages qui vous permettront d'obtenir de bonnes images et qui feront la différence entre une image de qualité médiocre et une image de bonne qualité.

La mise en station est uniquement destinée aux montures équatoriales, elle consiste à aligner l'axe polaire de la monture du télescope vers l'étoile polaire pour permettre un suivi de qualité. Si en imagerie du ciel profond elle doit être faite de façon très très rigoureuse (avec la méthode de Bigourdan par exemple) pour assurer un suivi parfait, en imagerie planétaire et webcam en particulier, une telle mise en station n'est pas nécessaire. Un simple alignement vers le pôle, facilité éventuellement par le viseur polaire de votre télescope s'il en est doté, suffit amplement.

En effet, s'il est beaucoup plus agréable de ne pas être obligé de faire constamment des mouvements de rappels pour garder la planète dans le champ de la webcam, on peut cependant lui autoriser une petite dérive. Ceci est même conseillé car les capteurs CCD des webcams possèdent souvent des défauts ou des poussières, que le déplacement de la planète devant ce capteur permet d'annuler lors de la phase de retraitement numérique des images (cf chapître VII).

4) La mise au point

C'est l'action de rendre nette l'image. On emploie également le terme de focalisation. Pour cela, on va amener le capteur de la webcam dans le plan focal de l'instrument. La mise au point doit être la plus parfaite possible. C'est pourquoi, on la refait souvent entre chaque prise de vue. On peut la faire de différentes manières : à l'aide du disque de Hartmann, par FWHM,……

Mais, avec l'habitude, elle se fait directement sur la planète, en regardant les images brutes sur l'écran de l'ordinateur. Cette étape est la plus longue, la plus délicate mais c'est très certainement la plus importante. Il faut donc la soigner.

En conclusion de ce paragraphe V, voici la récapitulation sous forme de tableau des différentes étapes à soigner plus ou moins pour l'imagerie webcam de la planète Mars :

- : Peut être plus ou moins « bâclé »

+ : A soigner

++ : A soigner absolument, étape obligatoire

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