Pre-Traitement d’images numériques Thierry Viant / Luc Coiffier

SOMMAIRE : Les pre-Traitements Les perturbations sur les images brutes: Optiques Electroniques Calibration : Restauration des images brutes Les Flat, Dark, Offset / Bias : fonction de restauration Exemple de calibration : DeepSkyStacker Augmenter le S/N : Réduction du bruit photonique Durée des poses / Nb de Pose Méthode d’empilement

Perturbations optiques - Poussieres Perturbations optiques – Les poussiéres Avant toutes images et l’utilisation des logiciels de traitements: un coup de soufflette sur : - Les optiques -Les filtres -La vitre du capteur

Perturbations optiques - Vignettage Aberration due à l'imageur : Atténuation du centre optique jusqu’a la limite de champs Plus présent sur les optiques à grand champs (fd faible)

Perturbations optiques : Conséquences: Les poussieres vont attenuées le signal recu : facteur de réduction propre pour chaque pixels Signal à l'ecran (pixel) = F(pixel) x Signal d'origine (pixel)

Perturbations électroniques Signal Offset ou Bias : Bruit de lecture correspondant au zéro de la ccd Bruit lié au capteur et à l’électronique Constant qqsoit la durée de la pose Signal du Dark : Bruit thermique la valeur est proportionelle à la durée de la pose Diminue avec la température du capteur ( le bruit est divisé par 2 tout les 10° ) Ces 2 types de signaux vont s'ajouter au signal reçu Non-uniformite de la réponse des pixels du Capteur: Evalué lors du flat Signal à l'ecran (pixel) = F(pixel) x Signal d'origine (pixel) + Bias(pixel) + Dark(pixel)

Faire de bons Flats ou PLU Faire une cartographie de la réponse de chacun des pixels pour la configuration actuelle de l’ensemble imageur-CCD - Prendre une serie d’images d’une source la plus homogéne possible entre 1/3 et les 2/3 de la dynamique du capteur soit : CCD 16 bits : entre 21000 et 40000 ADU APN 14 bits : entre 5000 et 11000 ADU APN 12 bits : entre 1300 et 2700 ADU ATTENTION : - Ne pas modifier le montage ccd-imageur avant de prendre les flats - Ne pas nettoyer les optiques entre les images et les flats - Roue à filtres pas trés precise alors faire les flats avant de changer de filtre - Pas de zone saturée sur le flat Si la PLU fait plusieurs secondes : faire aussi des dark de PLU Prendre ~ 5 flats et en faire une médiane ( Fort S/N donc inutile d’en prendre beaucoup)

Prendre les Flats : Méthode Boite à flat : A construire Pas très cher Efficacité moyenne Mobile (12v) Fond de ciel: -gratuit -efficace -Faire attention aux étoiles -Faire attention au niveau des flats Panneau lumineux: -cher -éfficace -puissant -Alimentation

Boite à flat http://astro.perroud-net.fr/boite_a_lumiere.html

Prendre des Offset/Bias Image à durée nulle ou la plus petite possible Doit étre prise dans l'obscurité Image à faible niveau: prendre un bon nombre d'offset (> 15 ) Réaliser un master Offset ( médiane ou moyenne )

Prendre des Dark Doit etre pris dans les mêmes conditions de l'image: même température même durée de poses Image prise dans le noir total Image à faible niveau: prendre un bon nombre de dark (> 15) !!!! Lorsque l’on prend un dark , il contient l'offset !!!!

Perturbation : Retrouver le signal d’origine Signal à l'ecran = F x Signal d'origine + Bias + Dark_pur F = PLU – Dark_PLU Dark_pur = Dark - Bias

Exemple de Calibration : DeepSkyStacker La Séquence Complète Bias/Offset Dark Dark Flat Flat Comb. Combinaison Combinaison Maître Bias/Offset - Soustraction Soustraction Combinaison Maître Dark Maître Dark Flat Soustraction Maître Flat Soustraction Soustraction Division Brute Calibrée

Exemple de Calibration : DeepSkyStacker La Séquence Alternative I Bias/Offset Dark Flat Comb. Combinaison Maître Bias/Offset - Soustraction Combinaison Maître Dark Maître Flat Soustraction Soustraction Division Brute Calibrée

Exemple de Calibration : DeepSkyStacker La Séquence Alternative II Dark Dark Flat Flat Combinaison Combinaison Combinaison Maître Dark Maître Dark Flat Soustraction Maître Flat Soustraction Division Brute Calibrée

Récapitulatifs Utilité réelle des bias/offset Les temps de pose Facile et rapide à créer Possibilité d’en créer une grande quantité très rapidement pour un très bon rapport signal/bruit Réutilisable d’une session sur l’autre Les temps de pose Identiques entre les brutes et les darks Identiques entre les dark flats et les flats Le plus court possible pour les bias/offset Court si possible avec les flats Les températures Sans importance pour les bias/offset Sans importance pour les flats

D'autres perturbations : Blooming : CCD sans anti blooming (meilleur sensiblité) Exces de charge qui se repend sur les pixels voisins Traitement software ( Maxim dl ) Pixel/colonne morts : Compositage / cosmetique software Trace d’objets ( avions, Satellite , etc..) : partent au compositage

Bruit photonique Photon : régie selon les lois de la mécanique quantique Suit une loi normal Variation de la moyenne suit une loi de poisson

Bruit photonique Temps de pose : Le RSB est proportionnel à : BUT : Augmenter le plus possible le rapport signal/bruit de l’image - Optimiser le temps de pose à la durée max possible évaluée en fonction de la transparence du ciel (bruit photonique > 2x bruit de lecture , inutile de continuer la pose ) - Multiplier le nombre de poses Temps de pose : Le RSB est proportionnel à : 1min de pose = RSB1 = 10 min de pose = RSB10 = = Plus le temps de pose est optimisé dans la durée, meilleurs sera le RSB

Réduction du Bruit photonique : Durée de la pose M42 : Pose unique de 3 min Image trés bruitée dans les parties faibles Ce confond avec le bruit de lecture Informations mal définies M42: Pose unique de 30 min Zones bruitées ont diminuées , mais reste dans les parties sombres Plus d’informations plus détaillées

Réduction du Bruit photonique : Compositage - Nb de pose Pour des images à bruits équivalents : 1 image = RSB 4 images = 2 x RSB ( + 3 images , gain de 50% du RSB 1 ) 10 images = 3.16x RSB ( + 6 images , gain de 36% du RSB 4) 20 images = 4.47x RSB (+10 images , gain de 30% du RSB 10) 50 images = 7.07x RSB (+30 images , gain de 36% du RSB 20) 100 images = 10x RSB (+50 images, gain de 29% du RSB 50) 200 images = 14.14x RSB (+100 images, gain de 30% du RSB 100)

Réduction du Bruit photonique : Compositage - Nb de pose Partie de la rosette agrandie a 200 % (pose de 20min) 1 pose S/N = 1 Image trés bruitée Informations mal définies 4 poses S/N = 2 x 1 pose Zone bruitée ont diminuée , mais reste dans les partie sombre Informations plus détaillées 8 poses S/N = 2.8 x 1 pose Les zones bruites sombre diminuent Un peu plus d’informations dans les parties sombres

Réduction du Bruit photonique : Empilement Normalisation : Mise à niveau du fond de ciel Image de référence Alignement : -Calcul décalage et angle de chaque image -Image de référence Empilement : Tous les nouveaux points sont empilés Somme, Moyenne, Mediane, Sigma-Klipping, … Cosmétique : suppression des points/colonnes mortes

Empilement : Addition En général , à éviter 20 20 21 23 25 26 28 1000 Liste pixel 20 20 Ne supprime pas les pixels deviants ( Avion , rayons cosmiques ) Peu robuste : sensible aux variations Test Maxim DL : résultats corrects , exceptés les pixels deviants - Normalisation entre chaque addition - Bruit de fond de ciel faible , “normalisé” ! En général , à éviter 21 23 Signal correct 25 26 28 Passage satellite 1000 Rayon cosmique 2000 3163

Empilement : Moyenne 20 20 21 23 A éviter 25 26 28 1000 2000 351 Liste pixel 20 20 Ne supprime pas les pixels deviants ( Avion , rayons cosmiques ) Ecart type = 697 !!! Peu robuste : sensible aux variations A éviter 21 23 Signal correct 25 26 28 Passage satellite 1000 Rayon cosmique 2000 351

Empilement : Mediane Liste pixel 20 Mediane : Valeur mediane de la liste des pixels ordonnés (Faire la moyenne des 2 valeurs centrales si nombre pair de valeur) MAD = 4 (equivalent écart type pour la médiane) Avantages : Supprime les pixels déviants (Avion , rayons cosmiques) Méthode robuste - Peu sensible aux variations Inconvéniant: Exclusive sur la valeur mediane Garder tous les pixels qui sont du signal et faire une statistique avec la nouvelle liste 20 21 23 Signal correct 25 26 28 Passage satellite 1000 Rayon cosmique 2000 25

Empilement : Kappa-Sigma clipping Liste pixel Processus itératif avec 2 paramètres: représente le terme multiplicateur à l’ecart-type   Nombre d’itération 20 20 1. Calcul de la moyenne et écart-type () 21 2. Elimination des valeurs en dehors de [Moyenne-xMoyenne+x] 23 Signal correct 25 3. Retour à l’étape 1 si valeurs éliminées et itérations restantes 26 4. Le résultat est la moyenne des valeurs restantes 28 Passage satellite 1000 -Élimination itératives des valeurs extrêmes -Bonne adaptabilité aux variations -Relativement robuste -Conseillé pour un grand nombre d’images -Ne pas prendre un nb d’itération trop important (2) -Ne pas prendre un K trop grand Rayon cosmique 2000 23.3

Empilement : Kappa-Sigma médian Liste pixel Processus itératif avec 2 paramètres: représente le terme multiplicateur à l’ecart-type   Nombre d’itération 20 20 1. Calcul de la moyenne et écart-type () 2. Les valeurs en dehors de [Moyenne-x, Moyenne+x] sont remplacés par la médiane 21 23 Signal correct 25 3. Retour à l’étape 1 si valeurs remplacées et itérations restantes 26 4. Le résultat est la moyenne des valeurs 28 Passage satellite 1000 25 -Élimination itératives des valeurs extrêmes -Faible adaptabilité aux variations -Très robuste -Ne pas prendre K et N trop grand -Conseillé pour beaucoup d’images avec de fortes variations Rayon cosmique 25 2000 23.28

Empilement: récapitulatif Brutes, Dark, Flat, Bias. > 10 images + ++ Kappa-Sigma Médiane Brutes > 10 images Kappa-Sigma Clipping Dark, Flat, Bias < 10 images --- +++ Médiane A éviter Moyenne Conseillé pour Adaptabilité Robustesse

Quelques référence: Christian Buil : http://astrosurf.com/ccdbazar/D-Materiel/BruitCamera1/Bruit01.html Luc Coiffier : http://deepskystacker.free.fr/french/index.html Retrouver mes images sur : www.astrosurf.com/viant