ASTRONOMY OUTCAST LES TUTOS : OBTENIR LES MEILLEURS IMAGES EN CP

Comment obtenir les meilleurs images possibles en ciel profond au moment de leur acquisition .

Pour obtenir les meilleurs images possibles…ou tout au moins mettre le maximum de chances de son coté, il est important de comprendre certains principes de base, c’est ce que je vais tenter de vous expliquer dans cet article.

Les informations contenues dans cet article sont données à titre indicatif, et ne peuvent remplacer l’expérience sur le terrain avec son propre matériel.

 


Premier principe de base, les différents signaux

Le signal utile

Il s’agit du signal lumineux contenant les photons en provenance de l’objet observé, le fond de ciel et les rayons cosmiques. Ce signal est reproductible.

Les photons n’arrivant pas de manière régulière sur le capteur (loi de Poisson), cette quantité disparate de lumière reçue par unité de temps par le capteur provoque un bruit, c’est ce qu’on appelle le bruit de photon.

Pour capter l’ensemble des photons en provenance de l’objet céleste et réduire le bruit, il faudra utiliser les temps d’exposition maximum que la combinaison setup / site d’observation est en mesure d’offrir

Quel que soit l’ISO (gain) utilisé, c’est le même nombre de photons qui sera reçu par le capteur, l’utilisation d’un ISO élevé n’apportera rien de plus au signal. Seule une optique rapide (rapport f/d faible) permettra à un plus grand nombre de photons d’arriver au capteur en un temps réduit.


 

Le signal de la pollution lumineuse

 

Il s’agit d’un signal parasite qui en venant s’ajouter au signal utile réduit la dynamique et dégrade le rapport signal sur bruit. Ce signal  peut être en partie soustrait mais le bruit associé restera présent.

En fonction du niveau de pollution lumineuse, les temps de pose unitaires devront être raccourcis.

 

L’utilisation de poses courtes et d’un temps total d’intégration plus important  est recommandé dans de telles conditions:

 

  • pour éviter de faire monter le fond du ciel.
  • pour éviter la saturation et préserver la dynamique. 

L’utilisation de filtre anti pollution lumineuse (ex le filtre IDAS LPD-D2) permet de réduire les effets de la pollution lumineuse et de préserver le rapport signal sur bruit. 

En contre partie, l’utilisation de ce type de filtre implique des temps d’exposition plus importants.


 

Le signal d’offset:

Le signal d’offset est généré par l’électronique du capteur et est présent de la même manière sur toutes les images. Ce signal est supprimé par les darks.


 

Le signal thermique:

Le signal thermique est lié à la température de fonctionnement du capteur. Ce signal est reproductible à même température, même gain et même temps de pose, il peut donc être soustrait par l’utilisation de darks.

Le signal thermique sera multiplié par 2 à chaque fois que l’on double le temps de pose, et multiplié par 2 à chaque fois que la température de fonctionnement du capteur augmentera de 7°.

Avantage donc aux caméras refroidies, car des temps de pose élevés ne poseront pas de problème, le refroidissement de la caméra permettant un contrôle du bruit thermique du capteur. Aujourd’hui la majorité des caméras refroidies permettent une température de fonctionnement de -45° par rapport à la température ambiante, plus la température sera basse, plus le bruit sera faible. 

Avec une caméra non refroidie, le bruit thermique du capteur va augmenter rapidement dès que l’on va vouloir augmenter les temps de poses. Un maximum de 30s unitaire me parait cohérent avec une caméra non refroidie, les pixels chauds devraient être supprimés en presque totalité par un bon master dark.


 

Deuxième principe de base, à chaque signal correspond un bruit

Le bruit photonique:

Comme nous évoqué précédemment,  les photons arrivent à des intervalles de temps aléatoires jusqu’à la surface du capteur, provoquant le bruit de photon. Le bruit photonique étant proportionnel à la racine carrée du signal, il suffit pour le réduire d’utiliser des temps d’exposition plus longs, et/ou une optique rapide ) qui collectera un plus grand nombre de photons. C’est aussi pourquoi le choix d’une camera avec un Full Well Capacity élevé est à privilégie pour garantir un rapport signal sur bruit et une dynamique maximum.

Le bruit de lecture (associé au signal d’offset)

Produit par l’amplificateur de sortie de la caméra, ce bruit peut être réduit en augmentant les temps d’exposition car on augmente le signal, ce bruit n’étant pas lié au temps d’exposition, mais au gain, dans les cas d’un CMOS. Le bruit de lecture à une valeur fixe avec les CCD.

Le bruit thermique

Le bruit thermique est lié à la température de fonctionnement du capteur. Ce bruit s’élimine facilement avec les darks


 

Troisième principe de base : le gain…mot magique mais il peut s’avérer être votre pire ennemi

En effet en augmentant le gain, nous amplifions le signal, mais le signal dans sa globalité, c’est à dire le bon comme le mauvais, ce qui donnera au final une image bruitée et sans dynamique.

C’est pour cela que je conseille toujours de travailler au gain unitaire (gain hardware), pour un bruit le plus faible possible et une dynamique la plus élevée.

Un exemple de rapport gain / bruit / dynamique avec les  mesures de l’Hypercam 294C PRO TEC, le meilleur rapport étant associé à un gain de 400


 

Quatrième principe de base, les temps d’exposition

 Le temps d’exposition idéal, est le temps d’exposition qui apportera le plus de détails , mais sans causer de défauts en tout genre!

Trouver le bon temps d’exposition va dépendre de plusieurs paramètres:

La qualité du suivi

 

La qualité du suivi représentant 50% du rendu final, il est aisé de comprendre sa corrélation avec les temps de pose.

 

Avec une monture Alt-Az, la rotation de champ sera apparente à partir de 30s de pose, ce qui défini la limite pour ce type de monture, à moins d’utiliser un dérotaeur de champ.

Avec une monture équatoriale, si la mise en station à été correctement réalisée, ainsi que l’équilibrage, les temps de poses peuvent aller jusqu’à 120s sans autoguidage, en fonction de la qualité du matériel utilisé.

 

Au dessus de 120s, il est conseillé de passer sur de l’autoguidage, les temps de poses deviennent alors infinis…ou presque.


 

Cinquième principe de base, le rapport f/d de l’instrument

Le rapport f/d de l’instrument mesure l’ouverture d’un instrument. Un instrument avec un rapport f/d faible est dit rapide (ou ouvert), car sa capacité à capter la lumière est importante, ce qui réduira les temps d’exposition.

 

A diamètre égal, une focale deux fois plus courte, diminuera le temps de pose par quatre.

 

Exemple de calcul de réduction des temps d’exposition avec une focale de 1000mm et de 500mm

(1000/500)² = 4

Tableau de synthèse équivalence temps de pose en fonction du rapport f/d

Rapport f/d Temps d’exposition (seconde)  Temps d’intégration total (minute)
5 120  60
 4 77  38
 3.6 62  31
 2.8 38  19
 2.2 23  12

 

La rapport f/d de l’instrument est donc un paramètre important à prendre en considération en astrophoto. Le choix d’un instrument rapide est à privilégier, associé à l’utilisation d’un réducteur de focal.

Un instrument très ouvert avec un rapport f/d faible sera performant, mais demandera cependant beaucoup de précision au niveau des réglages (collimation, coma, tilt) et ne pardonnera aucun écart.

 

Le diamètre de l’instrument n’influencera pas les temps d’exposition, puisque à f/d équivalent, c’est la même quantité de lumière qui arrivera au capteur dans un temps donné. Un diamètre plus important permet d’avoir un pouvoir de résolution plus important, donc plus de détail.


 

Dernier principe de base, l’empilement

Amélioration du rapport signal sur bruit et pourcentage de bruit restant par images combinées

L’empilement d’images (Stacking)  permet d’augmenter le Rapport Signal sur Bruit afin d’obtenir une image compositée d’une qualité supérieure à chaque images brutes qui la compose.

Plus le Rapport signal/bruit sera élevé, meilleur sera le résultat final

 

Le Rapport signal/bruit d’une image est de 1, la formule permettant de calculer le gain du compositage est √x.

 

Formule de réduction du bruit par compositage:

1 / √ nombre d’images acquise = % de bruit restant

 

Sur le tableau ci-contre, les valeurs clé en vert du nombre d’image à combiner pour améliorer son RSB de manière significative.

Ces valeurs servent à définir le nombre d’image à combiner, et donc le temps total d’intégration à allouer pour chaque cible en session d’observation, afin d’atteindre le niveau de qualité de rendu attendu par chacun.

 

On peut par exemple constater qu’il suffit de combiner 4 images pour doubler son RSB, mais qu’il faudra combiner 12 nouvelles images supplémentaires pour doubler à nouveau son RSB (les maudites lois des mathématiques !)

 Nombre d’image combinée  Rapport Signal sur Bruit  Bruit
1 1 100%
2 1,41 70,71%
3 1,73 57,74%
4 2 50%
5 2,24 44,72%
6 2,45 40,82%
7 2,65 37,80%
8 2,83 35,36%
9 3 33,33%
16 4 25%
25 5 20%
36 6 16,67%
49 7 14,29%
 64  8  12,50%
81 9 11,11%
100 10 10%
256 16 6,25%
400 20 5%
1024 32 3,13%
1600 40 2,5%
2500 50 2%
4096 64 1,56%
10000 100 1%

Exemple d’empilement de quatre images dans SharpCap (Rapport signal / bruit  X 2) 

Un logiciel comme Sharpcap permettra de réaliser simplement de l’empilement d’image.

 

L’Algorithme Sigma Clipped disponible dans la version pro de Sharpcap, est le plus puissant en terme de réduction de bruit , mais également celui qui demande le plus maîtrise au niveau des poses unitaires. Associé à la soustraction de dark et de flat à la volée, et l’utilisation des filtres de rejection FWHM et Brightness, les résultats obtenus en temps réel seront plutôt convaincants.

En conclusion, obtenir de bonnes images n’est pas si compliqué en soi, à condition de correctement préparer sa soirée d’observation, et de prendre le temps de comprendre et de mettre en pratique les grands principes de base listés dans cet article.