ASTRONOMY OUTCAST : LES TUTORIELS

AOFTW
Tuto Tech: comment obtenir les meilleurs images en astrophoto

Quelques principes de base...


Niveau : débutant


Mise à jour 22/05/2022

Pour obtenir les meilleurs images possibles...ou tout au moins mettre un 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 l'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 en AP

   - 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 le gain utilisé, c'est le même nombre de photons qui sera reçu par le capteur, l'utilisation d'un gain 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 doivent être raccourcis.


L’utilisation de poses courtes et d’un temps total d’intégration important sont recommandées dans de telles conditions:


   - pour éviter de faire monter le fond du ciel.


   - pour éviter de saturer le capteur et préserver la dynamique.

L'utilisation de filtre narrowband permet de réduire les effets de la pollution lumineuse et de préserver au mieux le rapport signal sur bruit.
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Vous pouvez retrouver un complément d'information, ainsi qu'un comparatif de filtre narrowdand dans le lien ci dessous.

ban_narrow
Tuto matériel: Les filtres narrowband en OSC

Comparatifs des données constructeurs des filtres les plus utilisés du moment!


Niveau : débutant


Mise à jour 30/05/2021

L'utilisation de filtre LPS (Light Pollution Suppression filter) permet de réduire les effets de la pollution lumineuse et de préserver au mieux le rapport signal sur bruit.
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Vous pouvez retrouver un complément d'information, ainsi qu'un comparatif de filtre multispectral dans le lien ci dessous.

ban lpr
Tuto matériel: Les filtres multispectral (LPR et CLS)

Comparatifs des données constructeurs des filtres les plus utilisés du moment!


Niveau : débutant


Mise à jour 06/06/2021

   - 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 bias

  - 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 est multiplié par 2 à chaque fois que l'on double les temps de poses, et est multiplié par 2 à chaque fois que la température de fonctionnement du capteur augmentera de 7 °.


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, le 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 caméra avec un Full Well Capacity est à privilégier 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 (associé au signal 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 aboutit au final à une image bruitée et sans dynamique.


C’est pour cela que je vous conseille de travailler au gain unitaire de votre caméra (gain hardware) ou à un gain de 0, pour un bruit le plus faible possible et pour une dynamique la plus élevée possible. Il est donc indispensable de connaitre les caractéristiques de sa caméra et de correctement les interpréter.

SharpCap dispose d'une fonctionnalitée d'analyse des caractéristiques et des performances des capteurs, le Sensor Analysis.

SharpCap : Sensor Analysis Voir

Exemple de rapport gain / bruit /dynamique avec les mesures réalisées sur ma caméra  (ZWO ASI2600 MC Pro)

Quatrième principe de base : le temps d'exposition optimal

Le temps d’exposition idéal, est le temps d’exposition qui vous apportera un signal utile optimal.


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

- La qualité du ciel:

Ce sera certainement le premier facteur limitant. Nous sommes loin d'être tous égaux face à la pollution lumineuse (sans parler des phénomènes de turbulence...), en effet, seul un faible pourcentage d'entre nous bénéficient aujourd'hui d'une voute céleste épargnée des méfaits lumineux de la civilisation moderne.

Le premier reflexe est d'aller sur une carte de pollution lumineuse, et en fonction du constat, se morfondre sur son cas, en pleurant la tête entre les mains (pour ne pas dire autre chose...!), en imaginant qu'un déménagement sous des cieux plus cléments serait la seule solution. 🙂

Après une longue période de dépression et d'envie de revente du setup, il est temps de remonter ces manches et d'agir, car des solutions existent. Nous avons vu plus haut que l'utilisation de filtres spécifiques permettait de contenir les effets néfastes de la PL, de même, l'ajustement du temps de pose unitaire, permetra de contrer (enfin bon, y a quand même des limites... :-)) ces effets indésirables.

L'ajustement du temps de pose unitaire vaut également pour les petits malins profitant d'un ciel bien noir, et qui se marrent comme des fourbes derrière leurs écrans  en se moquant du malheur des autres !

Comment définir le temps de pose optimal en fonction de son ciel ? :

   - En utilisant des outils qui le font à votre place, comme par exemple l'outil " Evaluation d'Exposition Optimal" de N.I.N.A., c'est simple, ça marche pluôt bien (quand utilisé correctement...), mais l'inconvénient c'est que l'on ne comprend pas trop ce que l'on fait, et que les temps d'exposition proposés seront à chaque fois uniques et qu'il va être impossible de se constituer une bibliotèque de dark.

L'outil " Evaluation d'Exposition Optimal" de N.I.N.A.

nina_calexpo

   - En réalisant soit même la mesure et en appliquant la règle des 3 sigmas. Cela prend un peu plus de temps, mais cela perrmet de comprendre le raisonnement, d'assimiler certains reflexes pour le bon déroulement de sa session et d'anticiper de manière pragmatique l'étape du traitement.

Le processus est très simple, il suffit de mesurer le sigma d'une brute calibrée et le sigma d'un offset unitaire capturé avec les même paramétres que la brute.

Pour cet exemple, j'utilise l'excellent SiriL:

   - Mesurer le sigma (1) de la brute calibrée avec l'outil "Statistique" en sélectionnant une zone de 100*100 pixels (2) sans nébulosités ni étoiles

   - Mesurer le sigma (3) de l'offset unitaire après avoir sélectionner une zone de 100*100 pixels (4)

   - Diviser le sigma de la brute calibrée par le sigma de l'offset, soit dans cet exemple :

  21.6 / 5 = 4.32 sigma

Et voilà, vous venez d'appliquer la règle des 3 sigmas! règle qui dit que "si le sigma du fond de ciel est au moins égal à trois fois le sigma de l'offset, alors le temps de pose unitaire minimum est atteint, car il permet de sortir le signal utile le plus faible".

Pourquoi me direz vous, simplement parce que lorsque l'on a mesurer le sigma du fdc sur une brute calibrée, il ne restait que le bruit photonique et le bruit de lecture, alors que le sigma de l'offset represente le bruit de lecture. Un coéfficient de 3, résultant de la division du sigma du fdc par le sigma de l'offset assure que le bruit de lecture devient négligeable par rapport au bruit photonique.

Mon conseil, mais vous en faites ce que vous voulez...
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Sous un ciel peu pollué.(≤ Bortle 4) ajustez vos temps de pose de maniére à rester à +/- 4 sigma. Sous un ciel pollué, le fond de ciel va rapidement monter, ainsi que son sigma 🙂 , dans cette configuration, il faut veiller à ne pas dépasser 6 sigmas (grand max!) sous peine de voir un taux important de signal utile se noyé dans le signal de la pollution lumineuse, et in fine un traitement foireux...

Dans l'exemple ci dessus, j'ai un sigma de 4.32 sur une pose de 120s avec un filtre LPS dans des conditions Bortle 4, je devrais (mais je ne l'ai pas fais, car pas de dark correspondant dans ma bibliothèque) donc légérement reduire le temps d'exposition unitaire pour ne pas dépasser un sigma de 4.

Gardez à l'esprit qu'avec un CMOS moderne ,le temps de pose optimal est souvent le plus court, ou tout au moins il s'en rapproche énormement. A 4 sigma, le bruit de lecture est tout simplement insignifiant par rapport au bruit du fdc, et ce qui fera la différence sera la qualité du ciel.

 - La qualité du suivi:

La qualité du suivi représentant 60% 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 dérotateur de champ.



Avec une monture équatoriale, avec une bonne mise en station et un bon 'équilibrage, les temps de poses peuvent aller jusqu'à 120s sans autoguidage, en fonction de la qualité du matériel utilisé.

Certaines monture, comme par exemple les 10Micron, n'ont pas besoin d'être guidée...mais la tranquilité à un prix 🙂

Pour les autres (les pauvres 🙂 ), le seuil ou le besoin d'autoguider peut se faire rapidement sentir, même si un vieux sage un jour à dit "le meilleur guidage est celui qui guide le moins". Il faut donc toujours passer par la case optimisation de sa monture et ne pas compter uniquement sur l'aide de l'autoguidage.

Il est donc primordial de connaitre la valeur RMS maxi de son guidage en fonction de son setup et de mesurer la performance de son guidage. Nous avons vu plus haut que le premier facteur limitant en astrophoto était le ciel, le deuxième étant le guidage.

Ci dessous un tableau vous permettant de calculer la valeur RMS maxi théorique de votre setup (seul les cellules vertes sont à renseigner).

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 les temps de pose par quatre.

Exemple de calcul de réduction des temps d'exposition avec une focale de 1000 mm Vs 500 mm:

(1000/500) ² = 4

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

 

Dernier principe de base : le compositage d'image

Le compositage d'image permet d’augmenter le Rapport Signal sur Bruit afin d’obtenir une image compositée d’une qualité supérieure à chaque image brutes qui la compose.


Plus le rapport signal / bruit sera élevé, plus simple sera le traitement et meilleur sera le résultat final.

Seul le temps de pose total permet d'avoir un bon RSB.

Le temps de pose total sera composé de poses unitaires dont le temps d'exposition aura été calculé selon la méthode des 3 sigma présentée plus haut.

Privilégier les poses les plus courtes tant que le bruit de lecture ne prédomine pas : sur 10h d'intégration mieux vaut 300 x 120s que 120 x 300s.

NB :

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 acquises =% de bruit restant

Ci dessous une presentation de Sir Robin pour étayer le sujet

Dans le tableau ci-dessous (les valeurs clé sont en rouge), vous retrouvez le récapitulatif du nombre d’image à combiner pour améliorer son RSB de manière significative.


 Nombre d’image combinée Rapport Signal sur Bruit Bruit
11100%
21,4170,71%
31,7357,74%
4250%
52,2444,72%
62,4540,82%
72,6537,80%
82,8335,36%
9333,33%
16425%
25520%
36616,67%
49714,29%
 64 8 12,50%
81911,11%
1001010%
256166,25%
400205%
1024323,13%
1600402,5%
2500502%
4096641,56%
100001001%

En conclusion, obtenir de bonnes images n'est pas si compliqué en soi, à condition de prendre le temps de comprendre les grands principes de base listés dans cet article...et de les mettre en pratique en préparant correctement sa session d'astrophoto, c'est ce que nous allons voir dans la deuxième partie de cet article.

accéder à la deuxième partie