Traitement de l'image numérique en astronomie

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Traitement de l'image numérique en astronomie

Message  dh42 le Mer 10 Mar 2010 - 0:08

Bonjour à tous

J'ai l'impression d'en avoir trop dit, ou pas assez concernant le traitement des images astro.

J'ai donc décidé de vous en dire plus.

C'est malheureusement très technique et je vais essayer de rendre ça à peut prêt clair, mais ça risque d'être long ! prévoyez un café !

petit lexique avant de commencer:

APN: Appareil photo numérique (en général)
EOS: Reflex numérique de marque Canon, particulièrement bien adapté à l'astro ( en particulier les 350D et 350 Da)
PS: PhotoShop
IRIS: Logiciel de traitement d'image d'astro (mais il peut faire autre chose !)
RAW: (cru en anglais) image brute sans aucun traitement ni compression telle qu'elle est enregistrée par le capteur de l'APN.

Quel est le but du traitement d'image et du compositage d'image?

La principale utilité du traitement d'image est de nettoyer l'images de tous les défauts induits par le matériel ; qu'il s'agisse du télescope ou de l'APN afin de ne conserver QUE les données qui correspondent à des informations réelles ; le reste c'est ce que l'on appel le bruit

Une fois ce travail effectué ; que l'on appelle le pre-traitement, on passe alors au traitement proprement dit, qui consiste à présenter les informations restantes de la manière la plus approprié à ce que l'on veux faire.

En ce qui nous concerne, dans la plupart des cas le but est d'avoir une belle image ; on utilisera donc des fonctions qui permettent d'améliorer la netteté, le contraste … ou qui permettront d'afficher ce qui ne peut pas être vu 'normalement'. Par exemple, le cœur d'une galaxie et un million de fois plus lumineux que la bordure extérieure, et aucun capteur optique, ni aucun écran (ni l'œil humain bien sur) n'est capable de voir/montrer à la fois le centre et les bords d'une galaxie ; un traitement mathématique approprié (logarithmique; image de droite) permet de voir des détails de partout.



La principale différence entre un logiciel comme IRIS et PhotoShop par exemple, c'est que le but de PS est de faire de belles images, par conséquent, il 'triche' en ajoutant des informations lors de ses traitements pour améliorer l'aspect visuel de l'image, ce qui est inacceptable d'un point de vue scientifique ; IRIS n'ajoute rien, il ne fait que rendre les infos existantes plus visibles.

Pourquoi nettoyer l'image ?

Lorsqu'un capteur reçois une information, que ce soit un capteur CCD d'APN ou un vulgaire poste de radio, les informations reçus sont un mélange d'informations utiles et de parasites (le fameux bruit).

On définis la qualité d'un signal par le rapport signal/bruit qui doit être aussi important que possible.
Un rapport élevé signifie qu'il y a beaucoup d'informations par rapport à la quantité de parasites ; au contraire un rapport S/B faible signifie qu'il y a beaucoup de parasites et peu d'informations.

Les capteurs d'APN sont prévus pour fonctionner en pleine lumière, le signal (l'image) et donc des milliers de fois plus important que le bruit (qui est généré par la chaleur, les défauts du capteur, l'électronique, etc …) ; il est donc invisible dans l'image. Dans une image d'astro. par contre la quantité de lumière enregistrée est très faible ; par contre le bruit à au contraire tendance à augmenter rapidement avec le temps de pose ; résultat sur une photo du ciel profond on a presque autant de bruit que de signal (donc d'info réelle)

Pourquoi compositer ?

Le compositage d'image consiste à utiliser les informations de plusieurs images d'un même objet pour créer une seule image finale.

Il y a de deux raisons principales qui justifient l'utilisation de ce processus.

* Cela permet de réduire le temps de pose, et donc de limiter les problèmes liés à la turbulence atmosphérique (photo planétaire) et aux défauts de suivi pour les longues poses (ciel profond). Par exemple, au lieu de faire une pose de 20 min sur une nébuleuse, on peut faire 10 poses de 2 min et les 'ajouter' numériquement. Incidemment cela réduit aussi le bruit qui augmente avec le temps de pose.

* Cela permet d'obtenir une plus grande quantité d'informations pour le traitement ; en effet un capteur numérique ou un PC ne gèrent que 256 niveaux de gris, ce qui est insuffisant pour une analyse statistique de l'image nécessaire à la plupart des traitements ; en ajoutant les valeurs des pixels de chaque image, on arrive à avoir jusqu'à 32 000 niveaux de gris (inaffichables, bien sur) ce qui permet aux traitement d'être beaucoup plus efficaces.

Il y a d'autres raisons que j'aborderais plus tard.

Comment se passe le pre-traitement, et que corrige t'on ?

Que corrige t'on ?

Un capteur d'APN (CMOS) ou de caméra d'astro (CCD) est constitué d'une matrice de pixels qui se 'chargent' en électrons chaque fois qu'ils sont percutés par un photon. A la fin de la pose, on 'décharge' chaque pixel et on compte les électrons emmagasinés par chacun des pixels. Plus il y a d'électrons, plus le pixel est lumineux. En théorie, un pixel à donc 0 électron tant qu'il est dans le noir, puis il gagne des électrons à chaque collision avec un photon. En théorie …. !

En pratique ce n'est pas si simple !

1 ) Les capteurs sont sensibles aux photons …. et la lumière visible ne représente qu'une petite partie du rayonnement électromagnétique. La chaleur, les rayonnements de l'électronique de l'APN et du télescope et tous les parasites électromagnétiques qui traînent dans l'air impriment eux aussi leurs marques sur le capteur. On appelle cela le bruit thermique. Il est d'autant plus important que la pose est longue, il évolue dans le temps, et bien sur c'est pire si il fait chaud. Les capteurs des 'vraies' caméra d'astro sont refroidis à –30° C, voir en dessous pour le haut de gamme afin de réduire une partie de ce bruit.

2 ) Certains pixels du capteur sont défectueux (c'est normal) ; d'autres ont des réactions 'non conforme' sur de longues poses (+ de 2 ou 3 s) ; ce sont toujours les mêmes, et il est possible de dresser une 'carte' des pixels défectueux d'un capteur donné afin de les retirer de l'image par diverses méthodes. Les pixels défectueux apparaissent sous la forme de point très brillant, et souvent colorés … comme une étoile ; ce qui ne simplifie pas les choses !

3 ) Pour pouvoir fonctionner, un capteur à besoin d'être traversé par un courant que l'on appelle le courant d'offset (décalage en anglais). Donc même au repos il y a des électrons dans les pixels !

La valeur de ce courant doit aussi être retiré ; par chance elle est constante pour un capteur donné quelque soit le temps de pose. Par contre elle diffère suivant le réglage se sensibilité ISO du capteur. Il faudra donc une correction différente pour chaque sensibilité utilisée.

4 ) Certaines zones du capteur n'ont pas la même sensibilité que d'autres ; autrement dit certaines zones de l'image seront plus sombres ou plus claires que d'autres. Ces zones peuvent, elles aussi être 'cartographiées' une fois pour toute pour un capteur donné.

5 ) Il peut y avoir des poussières sur le capteur, et elles, évidemment, elles changent de place !
On peut les enlever par traitement, mais il est quand même préférable d'avoir un capteur propre.

Tout ceci peut laisser penser que votre capteur est bon pour la poubelle ; il n'en est rien, c'est juste que pour l'astrophoto, les niveaux de lumière enregistrés sont si faibles que le moindre défaut est parfaitement visible et que l'on travaille à la limite des possibilité du matériel. Ceci dit avec un télescope de 200mm un EOS et les techniques de traitement d'image et de compositage on arrive à faire ce que faisait un télescope de 4 m de Ø en photo argentique (du point de vue de la sensibilité, pas de la résolution bien sur).

Je précise au passage que tout ceci vaut aussi pour les caméra CCD d'astro, sauf que c'est encore plus délicat vue que les capteurs sont TRES sensibles (au bruit aussi !) et qu'en plus les bons ET abordables sont en N&B ; il faut donc multiplier les poses par 3 (au travers de 3 filtres RVB) et appliquer une correction de temps de pose pour chaque filtre si on veux une photo en couleur.

Comment ça se passe ?

Comme on n'a pas encore bien vu ce qu'était le compositage, on va prendre un exemple à une seule image. Si on voulait compositer, il faudrait simplement faire la même chose sur chaque image.

pour traiter une image nous allons avoir besoin de:

- une image noire appelée 'dark' qui enregistrera le bruit thermique.
- une image d'offset qui enregistrera …. le courant d'offset.
- une image 'Flat Field' (champ plat) qui enregistrera les différences de sensibilité du capteur et la position des poussières
- une carte des pixels défectueux (fichier texte : coordonnées X et Y des pixels) qui sera générée par le logiciel après analyse d'un 'dark'

Avant d'aller plus loin, je précise qu'il est IMPERATIF d'utiliser le mode RAW de l'EOS ou si votre APN n'a pas, au moins un format non compressé ; SURTOUT PAS DE JPEG !!!

Le mode RAW fournis une image brute sans aucun des traitements intégrés de l'APN .(balance des blancs, corrections diverses intégrées, programmes spéciaux) et bien sur sans la moindre compression afin de ne pas altérer les données. Au départ l'image obtenu aura une coloration bizarre, les capteurs rouges vert et bleu n'ayant pas la même sensibilité et aucune correction n'étant faite par l'APN sur une image RAW. Ceci n'est pas gênant, de toute façon le programme de correction de couleur est prévu pour des photos 'normales' et ne comprends rien au rayonnement stellaire ! donc on n'aurait pas les bonnes couleurs de toute façon.

Faire un 'dark'

Le principe est simple, on veux enregistrer le bruit thermique, mais sans l'image. il suffit pour cela de faire une pose DANS LES MEMES CONDITIONS que l'image à traiter, mais en bouchant l'objectif.

Il est plus que souhaitable de faire le 'dark' juste avant ou après la prise de la photo (et même les 2, car on composite aussi les darks), et surtout dans les mêmes conditions (donc le même temps de pose, les mêmes réglages de sensibilité, la même température ambiante … )

Faire un 'offset'

La c'est plus simple ; le courant d'offset étant constant pour un capteur donné et ne variant qu'en cas de changement de la sensibilité ISO, il suffit de faire une image d'offset pour chacune des sensibilités utilisées en astro ; en général les plus hautes (sur l'EOS éviter si possible le 1600 ASA, trop de bruit), et de la conserver sur le PC.

Pour n'enregistrer que le courant d'offset, il suffit de faire une pose très courte (par ex 1/500s) avec le bouchon sur l'objectif ; ainsi on n'enregistre ni lumière ni bruit thermique.

Faire un flat field

C'est le plus difficile à faire, il s'agit de prendre une photo d'un plan uniformément éclairé (APN monté sur le télescope) afin d'obtenir une image 'grise' qui permettra de localiser les différences de sensibilité du capteur, et les éventuelles poussières. Le flat field doit être fait avec la même combinaison optique que la photo à traiter. Pour ma part, c'est une opération que j'ai zappée jusqu'à présent ; j'utilise un faux flat field ( une image uniformément grise ) pour le traitement.

Faire la carte des pixels défectueux

C'est le logiciel qui générera cette carte en analysant le dark qui est censé ne contenir que des pixels très peu lumineux et qui repérera ceux qui brillent trop ; cette carte pourra elle aussi être conservée sur le PC car elle ne varie que très peu (quelques pixels meurent avec le temps)

Le pre-traitement

Le but n'étant pas de faire un tuto sur IRIS que je ne connais pas très bien je me contenterais donc de donner le synoptique d'un traitement pour UNE image.

En cas de compositage, on fait plusieurs images de l'objets, mais aussi plusieurs dark qui sont eux aussi composités (le bruit thermique évoluant dans le temps, cela permet d'avoir un 'bruit moyen'). c'est également valable pour l'image d'offset et le flat field qui sont eux aussi composités.

synoptique du traitement:

1) conversion de l'image RAW de l'objet en images FITS (format astro) : résultat 3 images représentant les couches rouges, vertes et bleues.

2) conversion de l'image RAW du dark en images FITS: résultat 3 images RVB

3) idem pour le flat field et l'offset

4) soustraction de l'offset du dark (le dark comprend aussi l'offset, il faut donc l'enlever) et ceci sur chacune des images RVB donc Dark_rouge - offset_rouge, dark_vert – offset_vert ….

5) soustraction de l'offset de l'image de l'objet ; bien sur par couche RVB

On a maintenant une image (enfin 3 puisqu'elle est décomposée en 3 couches RVB) qui est débarrassée de son offset, et même chose pour le dark (les 3).

6) soustraction du dark de l'image de l'objet ( encore par 3, bien sur) ce qui nous donne une image nettoyé de son bruit thermique.

7) élimination des pixels défectueux à partir de la carte générée par le logiciel à partir du dark (toujours par 3 )

8 ) correction des défauts de sensibilité locale du capteur à partir du flat field (division par le flat field)

C'est terminé pour le nettoyage ; ensuite si on ne composite pas, on recomposera les 3 couches en y appliquant un facteur de correction pour obtenir l'image finale en couleur, puis on pourra commencer le traitement proprement dit.

Je vous en dirais plus sur le compositage la prochaine fois …

Bonne nuit

++
David

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Re: Traitement de l'image numérique en astronomie

Message  diomedea le Mer 10 Mar 2010 - 7:15

Parce qu'il y a une suite!!! affraid
Bonjour David, bonjour à tous.
Je vois que tu parle du eos 350D, (mon premier reflex numérique!) et 350da "a" pour astronomie je présume? Cet APN je l'ai toujours, et j'envisage de lui ôter son filtre infrarouge. C'est je crois, ce filtre qui différencie les version « d», et « da».
Le Canon eos 350D semble très prisé par les astrophotographes! Aujourd'hui on doit en trouver d'occasion pour pas très chère...



Si la manip ce fait, j'en ferais un sujet.
D’autre part, un rapide tour d’horizon des sites astro, montre l’omniprésence des boîtiers Canon, mais pour qu’elle raison ?
Les images RAW (je le traduirais plutôt par « brute ») j’avais commencé à le faire, mais j’ai abandonné car cela demande beaucoup de travail par la suite… et comme j’ai d’autres passions ! Mais pour l’astro je conçois que ça soit indispensable ! Wink
Merci pour tout !
JP


Dernière édition par diomedea le Sam 24 Sep 2011 - 7:48, édité 1 fois

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les canon en astronomie.

Message  rastalaly le Mer 10 Mar 2010 - 10:30

Bonjour à Tous,

Ma première intervention ici ne se fera pas sur le thème du bois ou du métal mais tant pis!
L'enchainement de sujet sur l'astronomie me démange!

Pour répondre à Dioméda sur l'omniprésence des canon dans la scène, assez particulière, de l'astrophoto.
Plusieurs facteurs expliquent ce fait.

Le premier, et non des moindre, est la puissance de diffusion de Canon qui fait que les amateurs d'astronomie (bidouilleurs devant l'éternel) ont pu s'essayer très tôt à l'imagerie numérique avec des boitiers prêt à l'emploi.

Le second facteur vient des très bons résultats en matière de gestion du bruit dans les hautes sensibilités. Le ccd de canon fournis des images BRUTES de très grande qualité depuis quasiment le début de l'ère de l'image numérique.
Pour comparer avec Nikon, l'autre géant de la photo ne peut s'empêcher de pré-traiter les images du format RAW

Enfin, il existe de nombreux sites qui explique la "dé-bayerisation" des reflex canon (dépose du filtre présent devant le capteur) certains site vous le font pour environ 300€. Sur le net il est possible de scruter les entrailles d'un 350D sous toutes ses coutures, certains lui apposent même un module peltier pour refroidir le capteur et repousser encore les temps de poses.

Tout ça fait que lorsqu'un petit nouveau demande le matos approprié pour démarrer l'astrophoto, toute la communauté répond en cœur... Canon!
Les seules caractéristiques valables pour faire de l'astrophoto est la capacité d'un appareil à fournir des fichiers "brut de capteur" (donc pas nikon) et de proposer la longue pose (pose B).

Quelques exemples faites avec un Pentax K100D l'été dernier (prise unique).


Pour les passionnés ou les curieux, je ne peut que conseiller la lecture des des foras majeurs sur le sujet de l'astronomie webastro et astrosurf.


Pour revenir sur le sujet des pas de vis kodak, s'il n'y a pas de caterpilar dans votre région, peut-être avez vous JohnDeer ou Harley Davidson?

A+

Rastalaly
Corrézien amateur d'étoiles et de copeaux de bois.

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Re: Traitement de l'image numérique en astronomie

Message  diomedea le Mer 10 Mar 2010 - 12:25

Merci Rastalaly pour ces infos! Surprised . Personnellement, si je suis chez Canon ça n'est pas pour des raisons "astro", mais un peu par hasard. C'est la troisième fois depuis que je fais de photo que je change de marque: J'ai débuté par Konica (et oui ils ont fabriqué des réflex!), puis Pentax, et aujourd'hui Canon.
D'autre part, il est assez étonnant de constater que certain photographes professionnels, comme ceux de la marine, qui travail donc avec Nikon, Utilise souvent Canon à titre personnel ! et ce pour diverses raisons…
300€ pour la dépose du filtre! Fichtre, il doit être dur à extraire! Shocked
Sur tes images, la couleur jaunâtre doit être due, je pense, à la pollution lumineuse?

"Ma première intervention ici ne se fera pas sur le thème du bois ou du métal mais tant pis!
L'enchainement de sujet sur l'astronomie me démange!"

Ça n'est pas grave! si tu as quelque chose à dire, dis le!

Cdlt
JP

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Re: Traitement de l'image numérique en astronomie

Message  dh42 le Mer 10 Mar 2010 - 12:35

Bonjour à tous

Diomedea: pour les différences entre le D et le Da, il me semble aussi qu'il y avait un affichage temps réel de l'image vue sur l'afficheur AR (comme sur les compacts numériques) ce qui devais faciliter le centrage et la MAP.

Rastalaly: bonjour et bienvenu sur le forum Smile Un autre point utile de l'EOS et le relevage du miroir ; même avec un télescope de plus de 60 kg, le relevage du miroir crée un bougé jusqu'au 200ieme de s. Les logiciels comme DSLR Focus peuvent gérer le relevage du miroir quelques sec avant la prise de vue (l'APN seul aussi, bien sur).

EDIT: pour JP ; oui il semble que la dépose du filtre soit une opération 'chirurgicale' ; il n'est pas simplement enlevé mais remplacé par un autre Défiltrage EOS

++
David

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Re: Traitement de l'image numérique en astronomie

Message  diomedea le Ven 12 Mar 2010 - 12:33

Bonjour à toutes et à tous
Tout d'abord merci à vous pour ce déluge d'infos ! pale Si je n'est pas tout compris... En revanche j'en connais un, qui lui qui à tout pigé ! (mon fils!) Bref et Puisqu'on y est, voici ce à quoi il a passé une partie de la nuit...
Souvenez vous de cet autre fil? Arrow ou l'on voyait M42 au 200mm?


Et bien en voici une autre après traitement sur IRIS:

Étonnant non!? On aperçois très bien la tête de cheval! (En haut à droite pour les non initiés) Bien sur cette image est loin d'être parfaite, mais elle permet de voir à quel point ce logiciel est capable de faire ressortir les informations d'une série de photos!
Pour les initiés cette fois!
Pour la première image:
200mm ouvert à 2.8, 120 secondes à iso 400.
Pour la 2eme
11 images de 120 secondes à iso 400
+ 11 offsets + 5 darks et 5 flats
Avec en plus une correction des niveaux sur Photoshop CS3

Pour le Fun...

Encore merci à vous tous
JPaul


Dernière édition par diomedea le Sam 13 Mar 2010 - 6:00, édité 3 fois

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Re: Traitement de l'image numérique en astronomie

Message  dh42 le Ven 12 Mar 2010 - 13:33

Bonjour JP

Très belles images, les expérimentations n'ont pas trainées ! bravo à ton fils.

Garde précieusement tes fichiers RAW (dark et photos), tu pourra reprendre le traitement au fur et à mesure
que tu maitrisera mieux IRIS (ou si tu veux extraire un autre type d'info de l'image)

encore, encore

++
David

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Traitement de l'image numérique en astronomie

Message  jobF le Jeu 26 Jan 2012 - 16:06

Bonjour,

Quelques mots pour remercier dh42 pour ces explications claires et concises.
Je me lance dans la photo astro et après quelques jours passé sur le net à chercher quelques tutoriels bien fait, je commençait à désespérer. Sad
Il est facile de trouver des quantités d'explications et de conseils pour utiliser Iris ou les autres logiciels de cette catégorie, mais je tournais en rond en essayant de comprendre les notions de bases du traitement de l'image.
Le photographe amateur "terrestre" que je suis, n’était en rien familier avec les Dark les flat et autres flat field.
Je peux maintenant retourner jouer avec Iris en ayant moins l'impression d'être un singe savant.

Je suis encore un peu perturbe par cette technique de multi exposition:
dh42 a écrit:
* Cela permet de réduire le temps de pose, et donc de limiter les problèmes liés à la turbulence atmosphérique (photo planétaire) et aux défauts de suivi pour les longues poses (ciel profond). Par exemple, au lieu de faire une pose de 20 min sur une nébuleuse, on peut faire 10 poses de 2 min et les 'ajouter' numériquement. Incidemment cela réduit aussi le bruit qui augmente avec le temps de pose.

Ok pour les defauts de suivi et le bruit mais chacune des 10 poses de 2 minutes reçoit beaucoup moins de lumière que l'unique pause de 20 minutes. On doit donc "perdre" des objets très peu lumineux .
Je suis preneur de quelques explications supplémentaires Wink


jobF
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Re: Traitement de l'image numérique en astronomie

Message  dh42 le Jeu 26 Jan 2012 - 17:35

Salut,

En fait, sur une pause courte, les objets très peu lumineux sont enregistrés aussi, mais tu n'aura que 2 ou 3 photons, le problème c'est qu'il sont "en dessous" du niveau de bruit et donc noyé dedans et c'est pour ça qu'on ne peut les voir.

Je parle ici du bruit qui ne peut pas être cartographié car changeant en permanence, c'est ce qui donnera un aspect grisâtre au fond du ciel sur la photo après traitement.

Sur chaque image tu aura donc des pixels très faibles constituant ce bruit et qui ne seront jamais au même endroit d'une image à l'autre, ce qui donne ce résultat gris plus ou moins uniforme du fond du ciel après compositage ou sur une pause longue.

Par contre, même si un objet est aussi faible, voir plus faible que le bruit, il est toujours au même endroit de l'image et finis donc par se détacher à chaque image supplémentaire ajoutée alors que les pixels constituant le bruit sont au contraire moyenné car ils sont répartis aléatoirement sur l'image.

Il ne faut pas oublier aussi qu'un capteur Cmos ou CCD n'a pas "d'effet de réciprocité" ** comme c'est le cas des films argentiques, ce qui à un effet énorme sur les temps de pose et leur capacité à enregistrer des faibles lumières, même s'il est difficile d'extraire toutes les très faibles données noyées dans le bruit.

**
Sur un film argentique, la sensibilité du film (ASA/DIN) est donnée pour une utilisation "normal", c.a.d des poses de moins d'une seconde, mais plus le temps de pose augmente, plus la sensibilité du film diminue, et un film de 400 asa pour moins de 1 s de pose n'en fera plus qu'une dizaines au bout de quelques secondes de pose ; c'est l'effet de réciprocité.

Sur les capteurs numériques, le coef de cet effet est de 1, autrement dit il n'y en a pas, la sensibilité du capteur ne varie pas avec le temps de pose.

Résultat, la ou il fallait 2h00 de pose en argentique, il ne faut plus que 20 à 30min en numérique, avec la même sensibilité ISO.

En espérant que ce ne soit pas trop obscure Embarassed

++
David

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