Astrochonum

La photographie des objets faibles à spectre continu est certainement ce qui pose le plus difficultés sous un ciel très pollué . Contrairement aux nébuleuses 
à emission qui emettent selon des raies d'emission discrètes qu'il est facile d'isoler grâce à des filtres interférentiels à bande étroite (HA, SII, OIII, ,HB,KA...), les objets à spectre continu emettent sur toute la gamme visible qui nous interesse de 350 à 850nm. Ces objets peu lumineux sont principalement les galaxies et les nébuleuses à réflection (Iris, Pléïades...) qui renvoient le spectre continu de l'étoile qui les illumine.
Pour ces objets une solution n'est pas d'utiliser un filtre sélectif qui n'accepte que le signal utile, mais un filtre qui rejète le signal inutile, en l'occurence la pollution lumineuse. 
Divers filtres existent et se distingue par leur sélectivité. Le LPS IDAS est réputé donner de très bons résultats sous un ciel modérément pollué et il respecte relativement la balance des couleurs. En revanche, sous un ciel très pollué comme celui de la banlieue proche de Paris, il faut une solution plus drastique. Le filtre réputé le plus sélectif pour des objets à spectre continu est le CLS d'Astronomik. Il rejette les raies d'emission qui correspondent aux éclairages urbains de type mercure, sodium et autres lampes à spectre étroit qui composent une grande partie de cette pollution. 



Néanmoins l'éclairage urbain comporte-t-il une partie non négligeable de pollution à spectre continu comme souvent les éclairages de stades et de bâtiments publiques.Et cette partie de l'éclairage est appelé à se développer avec l'arrivée d'éclairage basse consommation à diodes blanches qui emettent en général sur le jaune et le bleue.

Comme on peut le comprendre sur le graphique de la courbe de réponse du filtre, le CLS élimine une partie importante du signal utile en même temps que la pollution. Aussi peut on se demander dans quelle mesure, pour un temps de pose total donné, le gain attendu en rapport signal/fond de ciel compense la perte de signal utile.

Le test est le suivant :

1h de pose pour les deux solutions le but du jeu étant de comparer sur une session de durée équivalente. Sans le filtre, et parce qu'on ne peut poser trop 
longtemps sans voir le fond de ciel "manger" le signal utile, on se limite à 2mn de pose unitaire soit 30 poses de 2mn avec un simple filtre luminance. Avec 
le CLS nous pouvons poser plus longtemps car il stoppe en partie la pollution lumineuse. En revanche, comme il stoppe aussi une partie du signal, il faut effectivement des poses unitaires plus longues, soit 12 poses de 5 minutes avec ce filtre CLS.
La caméra utilise un capteur Sony ICX285, l'optique est un Schmitd Cassegrain de 200mm à 1200mm de focale depuis la proche banlieue Parisienne et le sujet est M74, belle mais discrète galaxie spirale.

30 poses contre 12, il est interessant de voir l'évolution du rapport signal/bruit qui évolue en théorie proportionellement à la racine carrée du nombre de poses. En l'occurence, le bruit, signal inutile, sera composé pour partie du bruit thermique, et du fond de ciel. Le premier est négligeable face au second.

Sur les poses de 120s sans filtre, le fond de ciel est à 23000 ADU. Avec une dynamique réelle inférieure à 15bits avec ce capteur (capacité des puits à électron de 18000e-), on ne peut pas raisonnablement poser plus longtemps. Le signal utile sur les bras de la galaxie monte jusqu'à 35000 ADU.
Avec le CLS et des poses 2,5 fois plus longues, le fond de ciel est à 9500 ADU, soit une valeur bien plus raisonnable. Les bras de M74 sont entre 9500 et 35000 ADU.

Sur ces valeurs, on voit donc que le CLS diminue le fond de ciel considérablement (facteur 6) et réduit le signal d'un facteur 2,5. La dynamique de la capture est donc aussi augmentée d'un facteur 3. En revanche, pour le même temps de pose, on n'a que 12 poses et donc un rapport signal bruit issu du stacking qui devrait être inférieur.

Voici l'évolution du rapport SNR au fil des poses :



On voit que le SNR des prises sans filtre (bleu) est très proche du rapport théorique (rouge) qui suit la racine carrée du nombre de poses.
En revanche, le SNR avec le CLS (en vert) est bien meilleur. Cette courbe a été vérifiée plusieurs fois avec différente images de référence. Les mesures sont faites sur des images stackées sans aucun traitement ni soustraction des flats/darks/offset. Le SNR en l'occurence montre le signal utile vs le signal de fond de ciel, donc il peut sembler logique que le SNR augmente plus vite que prévu.

Pour rappel, voici ce que donne l'image au fil des poses sur les poses sans le filtre CLS :



On voit que même si le SNR continue d'augmenter très sensiblement au delà de 10 poses, on atteint un rendu correct assez tôt. Néanmoins, le moindre traitement d'accentuation ou des choix de courbes aggressifs feront ressortir le bruit très rapidement. Il est donc important de faire beaucoup de poses.

Au final, avec une heure de poses, voici le résultat que l'on obtient (aucun traitement hors niveaux) :



Conclusion : 

- L'image sans filtre a moins de signal. Cela montre donc bien que le CLS est efficace en permettant au capteur de mieux discrimine le signal utile. On peut
aussi poser bien plus longtemps pour augmenter la sensibilité totale. En revanche, le CLS absorbe du signal utile.L'image avec une heure de pose est la plus riche, mais elle est déjà en limite de traitement simplement après les niveaux. L'image manque de pose.

- La version sans filtre est bien plus lisse malgré un SNR plus faible. Moins de signal, mais elle peut être encore traitée alors que la version CLS est déjà
"au bout du rouleau". En revanche, avoir plus que 30 poses aurait probablement une valeur ajoutée faible surle rendu final.

- Le signal ne dépend que du temps de pose total. Faire des poses longues n'est intéressant que si l'on compare le bruit de fond de ciel avec le bruit de lecture. On retient que le bruit de lecture doit être 3 à 4 fois plus faible que le bruit de fond de ciel (pas le niveau de fond de ciel, son bruit uniquement). Au délà, il n'est plus intéressant de pousser la pose unitaire.

Le solution serait donc d'augmenter le temps de pose avec le CLS.

Lors de l’utilisation de filtres RGB devant un capteur CCD, la balance des couleurs, et la définition du blanc qui résulte de la synthèse additive des trois composantes des filtres, dépendent directement des filtres eux-mêmes, et de la courbe de sensibilité du capteur CCD.

Il faut donc calibrer les filtres, et c’est l’objet de ce mini-tutorial.

Calibrer les filtres, c’est déterminer les coeficients pondérateurs qu’il faudra appliquer aux images additionées issues de chacune des séries de capture de chacun des filtres.

Le process est donc le suivant : calibration -> stacking -> pondération des composantes -> addition des couches RGB.

Les coefficients doivent donner un point blanc qui soit juste. De ce point blanc découlera l’équilibre et la justesse des autres teintes de l’image si tenté que les filtres soient linéaires.

Mais qu’est ce que le blanc ?

La définition est très variable selon que l’on parle avec un photographe, un vidéaste ou un imprimeur. Néanmoins, depuis la définition en 1931 pour l’imprimerie et la photographie du diagramme colorimétrique CIE, plusieurs définitions du blanc on tété admises. Elles ont été conservées et translatées dans les espaces colorimétriques qui ont été définis par la suite, avec parmi les plus utilisés le sRGB et le AdobeRGB à gamut étendu.

Le mode de mesure du blanc est familier des astronomes puisqu’on parle en température de couleur, comme on le fait pour le type spectrale d’une étoile. Les deux notions se recoupent en l'occurence.

Reste aussi la perception et les habitudes que l’on a prises selon les média que l’on voit.

Pour un photographe, le blanc sera à 5400°K, c’est un blanc assez chaud. Pour l’éclairage, on est souvent vers 5000°K. En imprimerie, on travaille au point D65 (6500°K) grâce aux azurants du papier. C’est d’ailleurs cette valeur qui se rapproche le plus de la température de couleur de la lumière du soleil, celle qui est utilisée lorsqu’on sélectionne « lumière du jour » sur la balance de blanc de son APN. C'est aussi cette valeur qui sert de référence à la calibration des écrans et des projecteurs.

Et c’est cette valeur que l’on va utiliser pour calibrer le set de filtres RGB.

Le principe est simple : on prend une image non saturée d’un objet à 6500°K (D65), et on modifie le poids de chacun des filtres jusqu’à obtenir le point blanc (donc R=B=G sur la pipette de Photoshop) sur cet objet.

Comme il est impossible de faire cela sur le Soleil, et qu’utiliser une feuille de parpier éclairée par le soleil n’est pas assez précis (cela dépend de l’atmosphére, de la hauteur du soleil et du papier !), on fait cela sur un étoile de type spectral G2v qui est celui du Soleil.

Un catalogue de ces étoiles fait par Hipparcos est disponible ici :

http://www.gemini.edu/sciops/instruments/nir/specstandards/G2V.html

Nous choisissons donc une étoile visible et suffisamment haute pour que le résultat ne soit pas impacté par l'absorbtion atmosphérique.

Dans mon cas, mon dévolu s’est porté sur SAO84803.

Après pointage aux coordonnées (il n’y a pas d’objet remarquable dans cette zone), je fais une première pose pour révéler le champ.

Le soucis d’un tel champ, c’est de savoir quelle est la bonne étoile. En l’occurrence, même en comparant avec le champ calculé par Starry Nights, je n’arrivais pas à reconnaître mon étoile G2v.

Aussi ai-je utilisé une fonction extrêmement puissante de MaximDL qui me sert beaucoup quand j'image : pinpoint astrometry.

Cette fonction analyse les étoiles dans le champ et les compare à ses catalogues. Elle permet d’avoir l’orientation et la position exact du centre du champ, et en plus d’autres paramètres particulièrement intéressants en imagerie comme l’échantillonnage et la vraie focale. De plus, ces informations sont écrites dans l’entête FITS et sont lisibles par d’autres logiciels.

Une fois ce repérage fait, je peux importer cette image dans Starry Night et la superposer à la carte calculée. Et voilà donc ma SAO84803 identifiée !!

En reprenant l’image dans MaximDL, je vérifie que le niveau sur mon étoile de référence ne sature pas pour déterminer le temps d’exposition.

Ensuite je passe à une classique série d’exposition sur les trois filtres, et je monte les image avec un poids de 1/1/1 sur chaque filtre.

Le résultat, dans mon cas, donne une forte dominante rouge.

MaximDL propose une fonction de balance des couleurs qui est très puissante dans le menu color/color balance. Cette fonction est plus puissante que le « white » d’Iris car elle normalise le fond en même temps.

Il suffit de choisir la sélection du point blanc à la souris et de sélectionner le centre de SAO84803 : MaximDL rééquilibre toute l’image en considérant que le point sélectionné est le point D65 de l’image.

Et on obtient directement les poids à utiliser par la suite pour d’autres images.

Dans mon cas, c’est R :0.62 G :1.20 B :1.17. Mais ces chiffres ne sont valables que pour mes filtres (Meade RGB) et mon capteur (ICX285).

Un petit test rapide sur Albireo pour vérifier :

Le process est assez simple, et les autres logiciels proposent les mêmes outils que le couple MaximDL/Starry Night que j’ai utilisé.

Le seul point vraiment important est de bien vérifier que l’étoile n’est pas saturée sur aucune des couches.