La photographie longue pose au moyen d'un capteur numérique fait rapidement apparaître un problème.
Le capteur enregistre non seulement de l'information (le signal), mais également des parasites (le bruit).
Ce bruit est principalement lié à 4 paramètres :
a)- le fonctionnement propre du capteur.
b)- la sensibilité.
c)- la durée de la pose.
d)- la température extérieure.
NOTA :
Avantage :
Avec les détecteurs numériques leur sensibilité reste constante, et ce quelque soit la pose d'une durée de une seconde ou dix minutes !
Inconvénient :
Deux points faibles :
1)- Le signal thermique.
Il est dû au fait que les photosites ne réagissent pas uniquement à la lumière, mais aussi à la chaleur.
Même dans le noir le plus complet, plus le temps de pose est long (ou plus la température est élevée), plus le capteur enregistre un signal lumineux qui n'existe pas !
2)- Le bruit de lecture.
Il est dû notamment à son électronique, cela a pour conséquence de rendre les images granuleuses (et cela même si le temps de pose est très court).
Les prétraitements représentent une étape incontournable de la technique CCD, ce sont les seuls traitements réellement indispensables. Dans le cas du ciel profond, ce sont souvent les seuls traitements que l'on fera subir à une image.
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SIGNAUX ET BRUITS
- Un signal est une quantité mesurable liée à un état d'un objet ou d'un phénomène physique donné : température, vitesse, intensité, nombre de photons, etc...
Une des caractéristiques fondamentales d'un signal est d'être reproductible : idéalement, on devrait le retrouver identique à lui-même dans une série de mesures.
- Le bruit est un caractère aléatoire il ne redevient jamais identique à lui-même.
On peut classer les signaux en deux catégories :
- les signaux utiles, ceux que l'on cherche à mesurer (par exemple les photons provenant d'une galaxie).
- les signaux inutiles (c'est-à-dire indésirables !) qui viennent s'y mêler (par exemple les photons issus du fond de ciel). Etant reproductible, un signal indésirable peut être connu en effectuant une mesure dans des conditions telles que ce signal soit isolé (ou facilement isolable). Puisqu'on peut le connaître, on peut l'éliminer.
Malheureusement, dans notre monde réel rien n'est parfait, et tout signal est dégradé par de multiples causes : nature du signal lui-même, variations de l'état de l'objet à mesurer, imprécision et défauts de l'instrument de mesure, parasites, etc...
En fin de compte, plusieurs mesures donneront, dans le cas courant, des résultats voisins mais pas identiques.
Les variations du signal mesuré par rapport au signal ‘moyen' représentent le bruit.
Une des caractéristiques les plus importantes (et les plus ennuyeuses !) du bruit est liée à sa nature aléatoire : il n'est pas reproductible.
Ne pouvant le reproduire, on ne peut le connaître. Ne pouvant le connaître, on ne peut retrouver le "vrai" signal.
Le rôle des prétraitements est de débarrasser l'image brute des signaux indésirables qui y sont présents et qui l'empêchent d'être exploitable. Mais ne confondons pas signal indésirable et bruit : les prétraitements ne peuvent malheureusement rien contre ce dernier !
LE CONTENU D'UNE IMAGE BRUTE
Les différents signaux présents dans une image brute sont les suivants :
a) Le signal de photons :
Il s'agit de la lumière issue du ciel (objet et fond de ciel), convertie en électrons par le capteur.
Ces électrons sont comptabilisés par l'électronique de la caméra qui délivre une information numérique proportionnelle à la quantité d'électrons mesurée pour chacun des pixels.
b) Le signal thermique :
L'agitation des atomes du capteur CCD provoque l'accumulation d'électrons d'origine thermique qui se mêlent aux électrons d'origine lumineuse. Ce signal est proportionnel au temps de pose, et diminue lorsque la température du capteur s'abaisse. Il varie énormément d'un pixel à l'autre : certains pixels sont plus ou moins "chauds" (leur signal thermique monte vite), d'autres ne le sont pas ; sur ce plan, chaque capteur est un cas particulier.
C'est la raison principale pour laquelle les capteurs des caméras CCD sont refroidis :
on cherche à réduire le bruit thermique en diminuant le signal thermique.
c) Le signal d'offset (ou "précharge") :
L'électronique de la caméra CCD biaise l'information d'intensité qui en est issue. A une intensité lumineuse nulle ne correspond pas un niveau "zéro", mais un niveau positif dont la valeur dépend de la conception de la caméra et des réglages électroniques effectués en usine. Ce signal dépend peu de la température, il est en général relativement uniforme sur l'ensemble d'une image CCD.
Il y a plus grave :
Le signal de photons est dégradé par le système optique chargé de délivrer une image sur le capteur. Le vignetage, présent aussi bien dans les objectifs photographiques que dans la plupart des télescopes, assombrit l'image dans ses coins par rapport à son centre. De plus, des poussières présentes sur le trajet lumineux, en particulier sur le hublot de la caméra et sur le capteur lui-même, projettent des ombres sur ce dernier. La taille et la netteté d'une ombre dépendent de la distance de la poussière au capteur (plus elle est éloignée, plus l'ombre est grande et diffuse) et du rapport F/D du système optique (plus il est fermé, plus l'ombre est petite et marquée).
Enfin, chaque photosites du capteur possède sa sensibilité propre. Deux photosites différents recevant la même quantité de photons ne produiront pas exactement le même nombre d'électrons.
Le vignetage, les poussières et la sensibilité propre de chaque pixel ne constituent pas en eux-mêmes un signal, mais une perturbation qui modifie le signal de photons. Ils possèdent néanmoins la principale caractéristique d'un signal : leur effet est reproductible.
L'objectif des prétraitements est d'éliminer aussi complètement que possible les signaux d'offset et thermique, ainsi que les dégradations occasionnées par le vignetage, les poussières et la sensibilité propre de chaque pixel.
Le bruit altère de manière plus ou moins importante le signal qui lui correspond et l'empêche d'être reproduit de manière parfaite.
Le bruit se manifeste sous la forme d'une granulation plus ou moins visible dans l'image.
C'est l'équivalent du "grain" bien connu en photographie argentique.
Cette granulation peut masquer des détails peu contrastés, voire être confondue avec de véritables détails.
Sur une image couleur, lorsque chaque couche présente son propre bruit, le résultat est un patchwork plus ou moins coloré qui altère la fidèlité de l'image.
A chaque signal est associé un bruit :
- bruit de lecture pour le signal d'offset.
- bruit thermique pour le signal thermique.
- bruit de photons pour le signal issu des photons de l'objet céleste et du fond de ciel.
NOTA :
Le bruit thermique et le bruit de photons, quant à eux, sont liés à la nature discrète des signaux correspondants (électrons et photons) et varient comme la racine carrée de ces signaux.
IMPORTANT :
Bruit de lecture :
Le bruit de lecture est principalement lié à la qualité de l'électronique de la caméra CCD.
Le capteur CCD et son circuit électronique de lecture et son convertisseur A/N créent du bruit aléatoire.
On l'appelle "bruit de lecture", il se mesure en nombre d'électrons par photosite.
A capteur égal c'est le circuit électronique de la caméra qui fera la différence entre le haut et le bas de gamme.
Bruit thermique ou bruit de courant d'obscurité :
Tous les circuits électroniques créent du bruit aléatoire.
Si l'on réalise deux noirs de même temps de pose à la même température, et que l'on soustrait une image de l'autre, on obtient une image dont le niveau moyen est nul mais qui présente de légères variations d'un pixel à l'autre : le signal thermique a bien été éliminé, mais de petites variations aléatoires de ce signal subsistent (et se combinent à celles du bruit de lecture).
C'est la raison principale pour laquelle les capteurs des caméras CCD sont refroidis : on cherche à réduire le bruit thermique en diminuant le signal thermique.
Les prises de vues avec un long temps de pose créent une agitation électronique qui
s'accumule dans chacun des photosites du capteur CCD, même lorsqu'il n'y a aucune lumière.
On appelle cela le bruit de courant d'obscurité ou bruit thermique, et on peut l'observer
sur les images comme un mouchetage de pixels multicolores.
Les photographes d'astronomie ont besoin de longs temps de pose pour obtenir des images correctement exposées, à cause de la très faible luminosité du ciel de nuit.
Les appareils dédiés à l'astrophotographie ont parfois des capteurs CCD "refroidis", qui préviennent du bruit thermique.
Les reflex numériques comme les Canon EOS sont aussi capables de faire des poses longues, sont surtout développés pour une utilisation classique.
Ainsi, lors d'expositions de plusieurs secondes, les images commenceront à présenter ces pixels multicolores.
C'est tout à fait normal pour ce type de matériel numérique.
Le bruit thermique et liés à la nature discrète des signaux correspondants (électrons et photons) et varient comme la racine carrée de ces signaux.
En outre, plus le capteur sera chaud, plus les électrons, excités par échauffement, provoqueront ce phénomène.
Ainsi, lors d'expositions de longue durée, il est recommandé de tenir l'appareil le plus possible au froid.
En pratique, avant d'effectuer des poses longues, nous vous conseillons de ne pas le tenir à la main l'APN, pour ne pas chauffer le capteur.
Bruit de photons :
On le trouve dans l'image, il est dû à la lumière elle-même.
En effet, la lumière est composée de photons qui, comme des gouttes de pluie tombant sur le sol, arrivent de manière quelque peut désordonnée et jamais exactement en même quantité.
C'est une variation aléatoire du nombre de photons et donc du nombre d'électrons qui en découle.
Le bruit de photons et liés à la nature discrète des signaux correspondants (électrons et photons) et varient comme la racine carrée de ces signaux.
L'ensemble de ces 3 bruits présent dans une image est appelé "bruit numérique".
Les bruits ne pouvant être éliminés une fois introduits dans l'image brute, il convient de les minimiser car ce sont eux qui limitent la précision de mesure dans une image et qui dégradent son aspect esthétique. Une bonne caméra CCD est, entre autres critères, une caméra à faible bruit de lecture et dotée d'un refroidissement correct. Même si une caméra CCD permet de travailler en présence de la Lune ou de pollution lumineuse, il est également très bénéfique de diminuer le signal de fond de ciel, qui est en général la principale source de bruit, en privilégiant les sites peu pollués.
Quant au bruit de photons de l'objet lui-même, son influence peut être amoindrie par augmentation du signal (poses plus longues ou plus nombreuses) : certes le bruit augmente, mais moins vite que le signal, l'important étant d'obtenir un meilleur rapport signal/bruit.
La chasse au bruit doit être un souci constant de tout utilisateur de caméra CCD, quelles que soient ses motivations !
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| COMPORTEMENT DU BRUIT :
Dès qu'un des 3 bruits dominent un peu les autres, les deux autres peuvent être considérés comme négligeables.
Il est donc inutile de faire la chasse aux sources de bruit secondaires, il est plus profitable de se concentrer sur la source principale de bruit.
LA SOURCE PRINCIPALE DE BRUIT
TROIS CAS :
1) OBJET LUMINEUX : LUNE, PLANETE.
Source principale de bruit :
- Le bruit de photons de l'astre lui-même remplie une bonne partie de la dynamique du capteur.
Sources secondaires :
- Le bruit de lecture et le bruit thermique sont négligeables.
2) OBJET DE CIEL PROFOND : GALAXIE, NEBULEUSE.
Source principale de bruit :
- Le bruit de lecture et le bruit thermique remplissent une bonne partie de la dynamique du capteur.
Sources secondaires :
- Le bruit de photons est négligeable.
3) OBJET FAIBLE : GALAXIE TRES LOINTAINE.
Source principale de bruit :
- Le bruit de photons du fond du ciel rempli une bonne partie de la dynamique du capteur.
Sources secondaires :
- Le bruit de lecture et le bruit thermique sont négligeables.
FIGURES DE RECAPITULATION :
Bruit de lecture ====>
Bruit thermique ====>
Bruit de photons =======================>
CAS N° 1
Bruit de lecture =======================>
Bruit thermique =======================>
Bruit de photons ====>
CAS N° 2
Bruit de lecture ====>
Bruit thermique ====>
Bruit de photons =======================>
CAS N° 3
Images prises dans un ciel éclairé par la Lune ou par les lumières des villes : CAS N°1 & CAS N° 3
- Le signal du fond du ciel est élevé et prépondérant et il y a donc un bruit important.
- En pratique, lorsque l'objet à photographier est faible, ce bruit de fond de ciel devient prépondérant (élevé) et s'accompagne donc d'un bruit important. Le fond du ciel limite le RSB de l'image finale.
- Il est tout à fait possible de photographier la Lune ou une planète depuis un centre ville sans aucun inconvénient, car le bruit de la lumière du fond du ciel est négligeable devant le bruit de photons de l'astre.
Images prises dans un ciel non pollué par des éclairages : CAS N°2
- Le signal du fond du ciel est négligeable, ce qui concrètement à temps de pose égale et pour le même objet, le RSB sera meilleur.
CONCLUSION :
D'où l'intérêt de travailler dans un ciel non pollué par des éclairages.
A temps de pose égal et pour le même objet, le RSB sera d'emblée meilleur, car la contribution du fond du ciel au bruit présent dans l'image sera moins importante.
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