COMPARAISON DU CANON 10D ET DU NIKON D70
EN IMAGERIE ASTRONOMIQUE LONGUE POSE

COMPARATIVE TEST CANON 10D / NIKON D70
IN THE FIELD OF DEEP-SKY ASTRONOMY

1. INTRODUCTION

Le Canon EOS 10D est bien connu pour ces très bonnes aptitudes en imagerie du ciel profond. Il les doit pour l'essentiel à son capteur à technologie CMOS, qui a un courant d'obscurité exceptionnellement bas. Le peu de signal d'obscurité présent au bout de quelques minutes de pose est par ailleurs assez facilement éliminé en réalisant les opérations  de pré-traitement classiques de l'imagerie électronique CCD (retrait d'une carte du signal thermique). Ces opérations sont impérativement réalisées sur les images RAW. Notons que le Canon EOS 300D, moins coûteux que le EOS 10D, a des performances optoélectroniques tout à fait équivalentes. Cliquer ici pour quelques résultats obtenus avec l'appareil photo reflex Canon 10D.
The Canon EOS 10D has a very good reputation for its deep sky imaging performance. The main reason behind that mainly lies with its CMOS sensor and its exceptionally low dark current level. The remaining dark current after an exposure of a few minutes can be easily removed by applying the usual pre-processing techniques (subtracting the dark current signal). These processing steps must be carried out on RAW images from the camera. It must be noted that the Canon EOS 300D costs less than the EOS 10D and has similar optoelectronic performance. Click here for some results with the Canon 10D DSLR.

Il est intéressent de comparer pieds à pieds le nouveau venu de chez Nikon, le D70, qui est le pendant du 10D/300D. Le D70 est équipé d'un CCD d'origine Sony. Cette page présente le comportement du Nikon D70 en imagerie longue pose ainsi qu'une comparaison de quelques performances avec celles du 10D.
It is quite interesting to compare this performance with the new Nikon D70 which is a direct competitor of both 10D/300D. The D70 is fitted with a Sony CCD chip. This page explains the behaviour of the Nikon D70 for long exposures and compares a few results with the 10D performance.

A gauche, le Canon 10D équipé du téléobjectif de 200 mm f/2.8 de la marque. A droite, le Nikon D70 équipé du téléobjectif de 180 mm f/2.8 de la marque.

Dans tout ce qui suit le format de stockage est le RAW (fichiers ayant l'extension NEF dans le cas du Nikon et CRW dans le cas du Canon). Le logiciel Iris est utilisé pour afficher le contenu des fichiers RAW et pour le convertir en images couleurs.
The RAW is the acquisition format (NEF file for Nikon, CRW for Canon). The Iris software is used for decode the RAW and for display and analyse color images.


2. QUALITE DES FICHIERS RAW / RAW FILE QUALITY

Pour les prises de vue longue pose, le Nikon D70 propose deux modes qui se distinguent par la présence ou l'absence d'une procédure automatique de réduction de bruit. Un troisième mode a été trouvé, un peu par hazard. C'est un mode non officiel, non documenté, mais nous allons voir qu'au final c'est lui qui sauve l'usage du D70 en imagerie ciel profond... Voici la définition de ces modes :

Three different acquisition mode are used with the Nikon D70: MODE 1 = noise reduction option OFF, MODE 2 = Noise reduction ON, MODE 3 = Noise reduction ON, BUT the DSLR is shutdown during the automatic dark frame acquisition. The MODE 3 is unofficial (!), but it is the only solution for take a true raw image with the D70... Details are here:

MODE 1
L'option de réduction de bruit est mise OFF. Dans ce mode le D70 réalise une pose, qui peut aller au delà de 30 secondes si on utilise la pose B (Bulb). Au terme de la pose, l'image est sauvegardée dans la carte mémoire sous la forme d'une image RAW (matrice de Bayer dans laquelle on peut encore distinguer la séparation spatiale des pixels rouges, verts et bleus). Mais allons le voir, Nikon réalise entre-temps une opération de filtrage dont le but est d'éradiquer le signal thermique, qui dans le cas du CCD Sony se manifeste comme des pixels nettement plus intenses que le moyenne (pixels dits "chauds"), éparpillés sur le détecteur. Le traitement s'apparente à un filtrage médian qui est appliqué de manière distincte sur les 3 familles de pixels colorés. Ce traitement n'est pas mentionné dans la documentation Nikon, et le fait qu'il soit pratiqué automatiquement et autoritairement sur les images RAW est une très mauvaise nouvelles ! Nous allons voir les conséquences. Le format RAW du Nikon D70 n'est donc pas un vrai format brut tel qu'on est en droit de l'attendre, c'est-à-dire une image qui reflète fidèlement le signal sortant du capteur CCD (via le convertisseur analogique/numérique). C'est une tromperie par omission de la part de Nikon. La présence de ce filtrage numérique explique pourquoi les images longues poses faites dans l'obscurité dans ce mode ne montrent pratiquement aucun signe de signal thermique - le malheur vient de ce que  les étoiles sont aussi elliminées !
The reduction noise option is put OFF. At the end of the exposure, the "raw" image is stored into the CompactFlash. But before this, the internal firmware applied a median like filter to the three layers of the image for erase hot pixels (local intense thermal signal). This processing is not mentioned in Nikon documentation, and the fact that it is applied automatically on RAW images is worst news! We will see the consequences. So, the RAW format of Nikon D70 is not a true raw format such as one has the right to await it, i.e. an image which would reflected the outgoing signal of a CCD sensor (via the analog/digital converter). The presence of this numerical filtering explains why the long exposure in the darkness in this mode do not show any sign of thermal signal, which is completely abnormal for CCD specialists.
 

MODE 2
L'option de réduction de bruit est mise ON. Dans ce cas l'appareil enchaîne deux prises de vue successives. La première avec l'obturateur ouvert durant le temps demandé par l'opérateur, le seconde avec l'obturateur fermé, de même durée. La seconde image est soustraite à la première et le résultat est sauvegardé dans la carte CompactFlash. C'est la technique traditionnelle utilisée en astronomie pour retirer le signal thermique. Mais généralement l'opération est faite a posteriori pour éviter de doubler le temps d'observation. Le MODE 2 est  très peu pratique en observation astronomique, où le temps est toujours compté. Mais en plus, les ingénieurs de Nikon, non content de retirer le signal d'obscurité par soustraction, en rajoute une couche en prenant l'initiative de réaliser automatiquement le calamiteux filtrage médian du MODE 1.
The reduction of noise option is ON. In this case the DSLR take two successive frames. The first with the shutter open during the time requested by the operator. The second with the shutter closed, of the same duration. The second image is subtracted from the first and the result is stored in the CompactFlash card. It is the traditional technique used in astronomy for remove the thermal signal. But generally the operation is made a posteriori to avoid doubling the observation time. MODE 2 is far from practical for astronomical observation, where time is always counted. But moreover, Nikon engineers adds an operation: the median filter is also applied AFTER the dark frame exposure!

MODE 3
Ce mode permet d'utiliser toutes les capacités du D70 en terme de résolution pour l'astronomie longue pose. Pour cela l'option de réduction du bruit est mise sur ON. On lance ensuite la prise de vue, mais au lieu d'aller jusqu'au bout, l'alimentation du D70 doit être coupée quelques fractions de secondes ou quelques secondes après le démarrage de la phase d'acquisition de la pose d'obscurité, c'est-à-dire une fois que l'obturateur est fermé. A ce stade, le D70 a déjà  stocké dans une mémoire tampon l'image faite sur le ciel. L'important est que l'appareil soit arrêté avant la fin de l'acquisition automatique en obscurité. Il n'y a aucun risque d'endommager quoi que ce soit. Que ce passe-t-il lorsque l'on coupe l'alimentation en agissant sur l'interrupteur ON/OFF ? Le logiciel du D70 sauve automatiquement l'image actuellement en mémoire tampon sur la carte CompactFlash. C'est une mesure de sécurité prévue semble-t-il prévue par les ingénieurs de Nikon au cas où l'utilisateur coupe l'alimentation accidentellement. De fait, l'appareil sauvegarde une image absolument brute, au sens fort du terme, sans réaliser le moindre traitement dessus. Cette image RAW est tout à fait semblable à une vraie image CCD, qu'il va être possible de traiter en profondeur et qui présente des qualités autrement supérieures à celles venant des modes 1 et 2. Dans le cadre d'une utilisation automatiquement une petite électronique et un mécanisme agissant sur le bouton marche/arrêt sont nécessaires. On peut aussi songer câbler en parallèles au bouton de déclenchement  de pose et au bouton marche/arrêt des fils que l'on tire à l'extérieur du boîtier et que l'on pilote avec une électronique adéquate. Cette électronique peut palier l'absence très regrettable de télécommande fillaire et d'intervalomètre pour le D70. Malheureusement l'accès à la zone du bouton marche/arrêt s'avère particulièrement ardue...
This mode preserve the CCD full resolution for astronomical long exposure applications. The first part is identical to the MODE 2 (noise removal procedure is ON), but for going until the end, it is necessary to turning off the power switch some fraction seconds or some few seconds after the first acquisition phase, i.e. once that the shutter is closed and that the D70 carrying out the dark frame. There is no risk to damage anything. The firmware of D70 automatically saves the image stored in the buffer memory on the CompactFlash card. It is a safety measure if the user cuts off the power supply without taking guard there. Now, the D70 save an absolutely true raw image. This RAW image is equivalent to a true CCD image, which it will be possible to process in-depth. Within the framework of a use automatically, a small electronics and a servomechanism which acts as switch at the level of the concentric on/off button can be developed. It is also probably possible to use a wired solution but it is necessary to open the camera (see web site in reference at the end of this page - the operation seen to be complex...).

Pour ce qui concerne le Canon 10D ou 300D, la situation est bien plus simple. Le RAW est bien une image brute traduisant fidèlement l'information provenant du capteur CMOS. Tout est donc sain et facile.
Concerning the Canon 10D or 300D, the situation is much simpler. The RAW is well a rough image, translating information accurately coming from sensor CMOS. All is thus easy. 

Voici des extraits d'images qui illustrent les propos ci-dessus. Elles ont été acquises en milieu urbain. Le D70 est équipé du téléobjectif AF NIKKOR 180 mm f/2.8, utilisé à pleine ouverture. La sensibilité est réglée sur ISO 800. Le temps de pose est de 30 secondes (pas plus à cause de l'absence de télécommande lors du test, ce qui empêche l'usage raisonnable de la pose B). La température est de 8°C. Le format original est le RAW. Le résultat est cependant présenté en couleurs après détramage de la matrice de Bayer en utilisant le logiciel Iris (interpolation linéaire simple). Le fond de ciel est rendu d'un gris neutre en ajoutant ou en soustrayant les constantes adéquates aux couches de couleurs (commande BLACK sous Iris). Les couches rouge, verte et bleu sont ensuite multipliées par les coefficients respectifs 1.93, 1.00 et 1.80, qui équilibrent la balance du blanc pour une étoile de type solaire (étalonnage sur la surface lunaire). L'étoile Arcturus (Alpha Boo) se trouve au centre du champ. L'observation a été réalisée le 8 mai 2004.
Here some part of images which illustrate the remarks above. They were acquired in urban environment. The D70 is equipped with an AF NIKKOR 180 mm f/2.8, used at full aperture. Sensitivity is ISO 800. The exposure time is 30 seconds (because of the absence of remote control during the test, which prevents the reasonable use the bulb mode). The ambiant temperature is 8°C. The result is however presented in colors after decoding the Bayer matrix of the RAW by using the Iris software (simple linear interpolation for this test, a good choice for deep-sky). The sky background is returned to a neutral gray by adding adequate constants to the color layers (BLACK command under Iris). The layers red, green and blue are then multiplied by the respective coefficients 1.93, 1.00 and 1.80 for the white balance (calibration on lunar surface i.e. a solar like source). The star Arcturus (Alpha Boo) is in the center of the field. The observation was carried out on May 8, 2004.

Image D70 - MODE 1
D70 image - MODE 1 - Arcturus field - 30 seconds exposure - Nikkor 180 mm f/2.8 lens.

Aucun point chaud n'est visible, et pour cause, le logiciel interne du D70 les retires automatiquement. Remarquez l'aspect peut naturel des étoiles faibles, un peu baveuse et avec des artifacts.
No hot pixels are visible, ok, but notice the little slobbery stars and the artifacts (see below). 

Image D70 - MODE 2
D70 image - MODE 2 - Arcturus field - 30 seconds exposure 

Toujours pas de points chauds. En plus, deux procédures successives de nettoyage sont appliqués sur le format "RAW"  (abus de langage !).
Here, two successive cleaning procedure are applied to the format " RAW " (an abuse language!). 

Image D70 - MODE 3
D70 image - MODE 3 - Arcturus field - 30 seconds exposure  

Les étoiles retrouvent enfin du piqué (rappelez-vous, pour obtenir une image RAW non filtrée il faut couper l'alimentation durant la pose d'obscurité). Remarquer que les plus faibles étoiles ressortent bien mieux. Les aigrettes de l'étoile Arcturus sont bien plus fines. Quelques points chauds sont bien sur visibles, mais en nombre finalement assez limité. Clairement, le filtrage interne peut être éliminé en faisant des exposition avec le mode de réduction de bruit activé et en arrêtant l'appareil alors qu'il réalise sont image de noir interne.
Now, notice the sharpness of the stars (remenber,  the unfiltered RAW image is saved by turning off the power during the automatic dark frame capture). The faintest stars are more visible. The diffraction spikes of Arcturus are much finers. Some hot spots are visible, but in a limited number finally. Clearly, the median cut filter can be by-passed by making exposures with noise reduction on and switching the camera off when it is making it's internal dark frame. 

Image D70 - MODE 3 - Image réalisée dans l'obscurité totale
D70 image - MODE 3 - Dark frame

Les points chauds du signal thermique sont bien là. Une bonne nouvelle, leur nombre et leur intensité, font que nous avons ici une des  meilleure performance que j'ai observé sur un capteur CCD (le niveau du signal thermique est significativement plus bas que celui  rencontré sur des CCD à technologie MPP, comme les Kodak de la série  KAF, pourtant déjà excellent sur ce plan). On enrage d'autant plus auprès des ingénieurs de Nikon d'avoir cherché à supprimer par tous les moyens ces points chauds dans les modes officiels 1 et 2.
A good news, the number of hot pixel and their intensity, make that we have here one of the best performance than I observed on a CCD sensor (the level of the thermal signal is significantly lower than that see with MPP technology, like the Kodak CCD series KAF, however already excellent from this point of view)..

Image D70 - MODE 3 - Image du champ d'Arcturus après retrait de la carte du signal thermique à posteriori
D70 image - MODE 3 - The Arcturus star field after thermal signal removal (during preprocessing) 

La soustraction a été réalisée dans le format RAW sous Iris (soustraction des matrices de Bayer de pixels à pixels). Après cette soustraction du signal thermique l'image est convertie en couleur. Elle est propre et détaillée !
The subtraction was carried out in RAW format under Iris (subtraction of Bayer matrix). After the image is converted into color. The result is clean and detailed!

Pour mieux apprécier les dégâts causés par l'algorithme automatique de suppression du "bruit" implanté par Nikon, voici quelques agrandissement et comparaison (agrandissement d'un facteur 4 par simple duplication de pixels) :
For better appreciating the damage caused by the automatic suppression "noise" algorithm established by Nikon, here some enlarging and comparison (scaling of a factor 4 by simple duplication of pixels):

Left MODE 1 acquisition method - Right MODE 3 acquisition method

A gauche l'image acquise dans le MODE 1, à droite l'image acquise dans le MODE 3. Les images d'étoiles délivrées par le Nikkor de 180 mm sont très fines. Clairement, l'algorithme interne à allègrement confondu les points chauds et les étoiles.  Les étoiles faibles ont pratiquement disparues (perte de détectivité), les plus brillantes sont distordues  (perte de résolution) et des fausses couleurs apparaissent (perte de la photométrie). C'est très caractéristique du "travail" fait par un filtrage médian. Il est clair que les gens de Nikon n'aiment pas les astronomes !
On left, MODE 1 acquisition, on the right, MODE 3 acquisition. The star images delivered by Nikkor 180 mm are very fine. Clearly, the algorithm confused the hot pixels and stars. The weak stars practically disappeared (loss of detectivity), most brilliant are distorted (loss of resolution) and false colors appear (loss of photometry). It is very characteristic of the " work " made by a median filtering. It is clear that people of Nikon do not love the astronomers!

Left MODE 2 acquisition method - Right MODE 3 acquisition method

A gauche l'image acquise dans le mode 2, à droite l'image acquise dans le mode 3. Le statut est strictement le même. Ce mode de suppression du bruit du D70 n'apporte rien s'il est utilisé tel quel.
Mode 2 (left) and mode 3 (right) comparison. The situation is strictly the same one...

L'examen direct des images RAW du Nikon D70 (matrice de Bayer, ou CFA pour Color Filter Array) montre bien l'action néfaste du traitement Nikon sur nos chères étoiles :
The direct examination of RAW Nikon D70 images (Bayer matrix, or CFA image for Color Filter Array) shows well the harmful action of the Nikon processing on our dear stars:

Nikon D70 - Left MODE 1 Bayer image - Right MODE 3 Bayer image

A gauche, agrandissement de l'image CFA acquise en MODE 1. Le filtre efface des étoiles et entame l'aspect des plus brillantes. A droite, l'image CFA en MODE 3.
Left, enlarging of the CFA image acquired in MODE 1. The filter erases stars and affect the aspect of most brilliant. On right-hand side,  CFA in MODE 3. 

Voici à présent le même champ observé avec le boîtier EOS 10D équipé de l'objectif Canon EF 200 mm f/2.8 L. Les autres paramètres sont identiques à ceux du Nikon D70 à part les coefficients de la balance des blancs qui pour les couches rouge, vert et bleu sont respectivement égaux à 1.96, 1.00 et 1.23.
Now the same field observed with the Canon EOS 10D equipped with the Canon EF 200 mm f/2.8 L.The other parameters are identical to those of Nikon D70, except the white balance coefficients. For the layers red, green and blue the coefficients are respectively equal to 1.96, 1.00 and 1.23. 

Image Canon 10D
Canon 10D image - Arcturus field - 30 seconds exposure - Canon 200 mm f/2.8 tele.

Ci-dessus une pose brute de 30 secondes. Above a 30 seconds a raw exposure.

Image 10D - Image réalisée dans l'obscurité totale - dark frame

Pose de 30 secondes dans l'obscurité. Il n'y a pratiquement aucune trace de signal thermique (ce rappeler que la température était de 8°C au moment de l'observation).
30 seconds exposure in the darkness. There is practically no trace of thermal signal (recall that the temperature was 8°C at the time of the observation). 

Image 10D - Image du champ d'Arcturus après retrait de la carte du signal thermique à posteriori
The Arcturus star field after thermal signal removal (during preprocessing)

L'image du champ d'Arcturus après soustraction du signal d'obscurité.
The image of the Arcturus field after subtraction of a reference dark signal frame..

Comparaison d'un détail du champ entre le Canon 10D et le Nikon D70 utilisé dans le mode 3 (l'échelle de l'image du 10D est augmentée d'un facteur 3,6 et non pas 4 pour tenir compte de la différence de focale des deux optiques - mais pas de la petite différence de taille des pixels).
Comparison of a small part of the field between Canon 10D and Nikon D70 used in mode 3 (the scale of the image of the 10D is increased by a factor 3,6 and not 4 to take account of the difference in focal distance of two optics - but not of the small difference in pixel size). 

Left Canon 10D image - Right Nikon D70 MODE 3 image

La détectivité est légèrement meilleure sur le 10D que sur le D70 mais cela s'explique par le fait que le premier collecte 20 % de flux que le second compte tenu de l'optique utilisée. L'objectif Nikon affiche un défaut de chromatisme supérieur à celui du Canon (présence d'un halo bleu autour des étoiles). L'objectif Canon comporte des verres spéciaux qui corrigent fort bien cette aberration optique. Malgré cela, l'image du Nikon est plus piquée, plus homogène sur le champ, exempte de défaut d'excentrement et agréable à focaliser. En regard, malgré deux objectifs testés, le 200 mm de Canon présente un défaut d'alignement difficilement admissible compte tenu du prix de cette optique (présence de coma d'excentrement en bord d'image). Il faut ajouter que le filtre antialiasing placé en avant du capteur, produisant un flou volontaire, a une action plus modérée sur le Nikon que sur le Canon,  ce qui contribue encore au sentiment d'image fouillée que délivre le D70. Un bon point sur ce plan à Nikon, même si des effets pervers peuvent en résultés (les étoiles de couleur verte dans l'image - mais qui disparaissent si on composite plusieurs poses par effet de moyenne).
The detectivity is slightly better on the 10D than on D70 but the first collects 20 % more flux that the second . The Nikon lens displays a colour defect higher than that of the Canon (presence of a blue halation around stars). The Canon objective use special glasses which correct this aberration extremely well. In spite of that, the image of Nikon is pricked, free from important field. It should be added that the antialiasing filter placed in front of the sensor, producing a voluntary blur, has an action more moderated on Nikon than on the Canon, which still contributes to the sharpness of D70.

La séquence d'images ci-après montre le champ de la nébuleuse planétaire Messier 57. Dans les trois cas on a additionné 4 images posées chacune 30 secondes. La faiblesse du MODE 1 d'acquisition est criante pour le D70 lorsque les images stellaire sont à la base très fines.
A sequence on M57 nebula (4x30 seconds exposure). The dramatic status of the D70 MODE 1 is very evident in the situation of point like stellar image.

Dans le test ci-après, qui montre toujours le champ de M57,  l'image du Canon 10D a été ramené à la même échelle que celle du D70 (acquise en MODE 3). Il y a toujours 4 images de 30 secondes additionnées dans le cas du 10D, mais ce nombre est porté à 7 images pour le D70 afin de compenser la perte de rapport signal sur bruit occasionnée par la plus petite taille de l'objectif qui l'équipe. Les images ont été transformées en noir et blanc (simple addition des couches RVB) et affichées en négatif. La détectivité du 10D apparaît très légèrement  supérieure à celle du D70, mais l'écart n'est pas vraiment significatif.
Detectivity comparison: Left, negative view of the 10D image (stack of 4x30 seconds exposures), right, negative view of the D70 image - MODE 3 (stack of 7x30 seconds exposures - for compensate difference of optic).

3. SIGNAL THERMIQUE / THERMAL SIGNAL

Les images suivantes montrent l'aspect du signal thermique pour les deux boîtiers testés. Pose de 300 secondes dans l'obscurité totale avec une température de 22°C et à ISO 400 (MODE 3 pour l'image D70).
Left, Canon 10D 300-seconds exposures dark frame at 22°C. Right, Nikon D70 300-seconds exposures dark frame at 22°C.

A gauche, le signal thermique du 10D, à droite, le signal thermique du D70. Les seuils de visualisation sont identiques dans les deux cas (200 et -50 avec un niveau moyen amené à zéro). Le capteur du D70 montre un phénomène d'électroluminescence provoqué par les circuits de sortie du CCD. Le point le plus intense de ce halo est de 190 ADU pour une pose de 300 secondes. On observe un phénomène semblable sur le capteur CMOS du 10D, mais nettement moins intense (12 ADU en 300 secondes). Le taux de signal thermique caractéristiques des pixels les plus chaud du D70 et de 8 ADU/s à 22°C. Le même taux pour le 10D est de 0,5 ADU/s  (2 pixels seulement ont un taux de 6 ADU/s dans l'appareil testé).
On left, the thermal signal of the 10D, on the right, the thermal signal of D70. The thresholds of visualization are identical in both cases (200 and -50 with an average level brought to zero). The D70 shows a phenomenon of electroluminescence caused by the output circuits of the CCD. The most intense point of this glow is of 190 ADU for a 300 seconds exposure. One observes a similar phenomenon on 10D CMOS, but definitely less intense (12 ADU in 300 seconds). The rate of the thermal signal characteristic of the hottest pixels of D70 is 8 ADU/second at 22°C. The same rate for the 10D is 0,5 ADU/second (2 pixels only have a rate of 6 ADU/s in the model tested).

Détail du signal d'obscurité du Nikon D70 (portion d'image RAW agrandie 5 fois - pose de 300 secondes à 22°C et ISO 400) :
Detail of a dark signal for the Nikon D70 (crop of a RAW  image scaled 5 time  - 300 seconds exposure at 22°C and ISO 400):

De gauche à droite, MODE 1 (NIKON réalise un filtre du type median pour supprimer les pixels chauds avant de sauvegarder l'image dans le tampon mémoire sous la forme d'un fichier NEF), MODE 2 (noter que les valeurs négatives sont mise à zéro et donc perdues), MODE 3 (les pixels chauds sont bien visible : la coupure de l'alimentation de l'appareil durant la pose d'obscurité produit une sauvegarde automatique de l'image en mémoire sans que le filtre médian soit appliqué), et le résultat de la soustraction de deux images successives acquises en MODE 3.
From left to right, MODE 1 (NIKON is doing a weak median filter for suppress hotpixels before writing the resulting buffer to a NEF file), MODE 2 (notice, the negative values are zero-clipped and lost), MODE 3 (hotpixels are now visible: power cutoff during dark frame exposure will cause the buffer to be flushed without the median filter applied), and the result of the subtraction of two successive MODE 3 images.

Histogramme cumulé inverse du signal thermique (d'après des images RAW). Pose de 120 secondes dans le noir à ISO 400 et 21°C. Noter que l'échelle verticale est logarithmique. Voici comment lire ce graphique. Par exemple, dans l'image Canon 10D il y a 20 pixels chauds qui ont une intensité supérieure à 1000 pas codeurs. Pour la même pose, dans le cas du Nikon D70 il y a 200 pixels qui ont une intensité supérieure à 1000 pas codeurs (mode 3). Avant correction, le signal d'obscurité du D70 est typiquement 10 fois supérieur à celui du 10D. Dans les deux cas plusieurs populations de pixels chauds sont identifiés.
Inverse cumulated histogram of the thermal signal (from RAW data). Exposure of 120 seconds in the darkness with ISO 400 and 21°C. Note that the vertical scale is logarithmic. Here how to read this graph. For example, in the Canon 10D image there are 20 hot pixels which have an intensity higher than 1000 steps coders. For the same exposure, in the case of Nikon D70 there are 200 pixels which have an intensity higher than 1000 steps coders (mode 3). Before correction, the dark signal of the D70 is typically 10 times superior with that of the 10D. In both cases several family hot pixels are identified.

4. FLAT-FIELD

Image flat-field (champ plat) réalisé avec le Canon 10D sur un écran blanc à la longueur d'onde de 500 nm (filtre interférentiel de 20 nm de bande passante) et à f/22. Les taches sombre sont des poussières déposées sur le filtre situé en avant du capteur (ce n'est pas un problème, elles disparaissent après un bon nettoyage).
Flat-field image (flat field) realized with Canon 10D on a white screen at the wavelength of 500 nm (interference filter of 20 nm pass-band) and at f/22. The dark spots are the dust deposited on the filter located in front of the sensor (it is not a problem, they disappear after a good cleaning). 

Le même écran photographié avec le NIKON D70, toujours à la longueur d'onde de 500 nm et à f/22. Un défaut de bord est visible (peut être lié aux limite du coating du filtre placé en avant du CCD ou au CCD lui-même).
The same screen observed with the Nikon D70, always at the wavelength of 500 nm and at f/22. An edge defect is visible (can be related to the limit of the filter coating placed in front of the CCD or to the CCD itself).

L'effet de bord sur le D70 est imperceptible lorsqu'on visualise la couche verte uniquement sans le filtre interférentiel.
The edge effect on D70 is unperceivable when the green layer is displayed only without the interference filter. 

5. OFFSET

Canon 10D offset
A gauche, la moyenne de 10 exposition brève dans l'obscurité. Le bruit RMS de la moyenne est de 2,06 pas codeur. Une faible structure fixe verticale est visible (les seuils de visualisation sont pris entre 50 et 0 ADU). A droite, le résultat de la soustraction de deux offsets successifs (chacun est la moyenne de 10 poses individuelles). La structure a disparu.
Left, mean of 10 short exposure frame from the Canon 10D (crop). The RMS noise of the mean is of 2.06 ADU. A faint vertical fixed pattern is visible (threshold limits are 50 and 0 ADU). Right, the subtraction of the two successive offsets (each is the mean of 10 individual frame). The pattern is disappear

Nikon D70 offset
A gauche, la moyenne de 10 exposition brève dans l'obscurité. Le bruit RMS de la moyenne est de 1,57 pas codeur. Une très faible structure fixe horizontale est visible. A droite, le résultat de la soustraction de deux offsets successifs (chacun est la moyenne de 10 poses individuelles). Le résultat est très propre.
Left, mean of 10 short exposure frame from the Nikon D70 (crop). The RMS noise of the mean is of 1.57 ADU. A very faint horizontal  fixed pattern is visible (threshold limits are 50 and 0). Right, the result of the subtraction of the two successive offsets (each is the mean of 10 individual frame). The result if very clean.

6. CODAGE NUMERIQUE / NUMERICAL CODING

Ci-dessous, l'histogramme de la distribution de l'intensité des pixels dans une vue domestique en utilisant uniquement les pixels verts de l'image de la matrice de Bayer (fonction cfa2green2 de Iris). Certains codes semblent absent dans l'image provenant du D70.
Below, the histogram of the intensity distribution issued from a domestic frame by using only the green pixels of the Bayer matrix image  (cfa2green2 procedure of Iris). Some codes seem absent in the image coming from D70.

Détails de l'histogramme de l'image du Nikon D70 :
Details of the D70 histogram:

Le Nikon D70 semble utiliser un algorithme de compression avec perte d'informations au travers d'une table de transcodage. Le codage des pixels passe de 12 bits à 9,5 bits environ lors de cette opération. Il est possible que les codes manquant dans l'image RAW soient le résultat de la décompression, ce qui créée un phénomène de postérisation. Une fois l'image RAW traitée (compositage de plusieurs clichés, registration, ...) et convertie en couleurs, le phénomène disparaît pratiquement totalement et l'aspect visuel de l'image est préservé. Voir aussi cet article. Cette interprétation de l'aspect de l'histogramme reste à confirmer.
Nikon D70 seems to use a lossy compression algorithm through a transcoding table for the NEF files. The result is an average coding of about 9.5-bit per data point, and not the original 12-bit. It is possible that the codes missing ("gaps") in image RAW is the result of the decompression process (9 to12 bits coding), which created a phenomenon of posterization. Once image RAW processed (registration, stacking, ...) and converted into colors, the phenomenon practically disappears and the visual aspect of the image is preserved. See also this article. This interpretation of the aspect of the histogram remains to be confirmed.

7. SENSIBILITE EN Ha / Ha SENSITIVITY

La sensibilité dans le rouge, et tout particulièrement au voisinage de la raie Ha, est un des problèmes douloureux avec les reflex numériques actuel. Le filtre anti-infrarouge installé devant le détecteur coupe en effet le rouge bien trop tôt. Ce filtre ne laisse  passer qu'une portion congrue de la lumière des nébuleuses, quelques pourcent tout au plus, alors que le capteur est potentiellement très sensible à cet endroit. Le Nikon D70 est très attendu sur ce point. Le résultat semble montrer que le D70 n'est pas meilleur que son concurrent 10D/300D en ce qui concerne la sensibilité dans le rouge. Dommage !
The red sensitivity, and particularly in the vicinity of the Ha line, is one of the painful problems with the current DSLR cameras. The anti-IR filter installed in front of the detector cuts the red really too early. This filter let pass only a fraction of the light of nebulas, a few percent at most, whereas the sensor is potentially very sensitive for this wavelength. Nikon D70 is very expected on this point. The result seems to show that D70 is not better than its competitor 10D/300D in regard to the sensitivity in the red.

Les portions d'images ci-dessus montrent la région de l'étoile Gamma Cyg, entourée de nébuleuses à émission. Ce test de sensibilité dans le rouge a été réalisée dans des conditions difficiles (en ville) et avec des poses élémentaires de durées trop courtes (30 secondes). On a additionné 10 images de 30 secondes pour atteindre un temps de pose cumulé de 300 secondes. A gauche le résultat obtenu avec le Canon 10D, à droite le résultat obtenu avec Nikon D70.  Les pixels ont été agglomérés avec un facteur 4 suivant les deux axes (binning numérique en utilisant la commande BINXY de Iris). Difficile de dire qui a l'avantage. Le résultat est médiocre dans les deux cas compte tenu de la sensibilité potentielle dans le rouge du détecteur qui équipe ces deux appareils photo.
Ha sensitivity - Left the Canon 10D, right the Nikon D70. 10x30 seconds exposure and sub-urban condition
Nearly the same result... not very good!

8. SENSIBILITE EN INFRAROUGE / INFRARED SENSITIVITY

En forçant sur le temps de pose, on peut s'apercevoir que les appareils photographiques digitaux peuvent être sensibles dans le proche infrarouge. Comment se comportent le D70 et le 10D dans ce domaine.
IR sensitivity of the Nikon D70 and Canon 10D is demonstrated by the use of a RG9 filter.

Voici un paysage photographié avec le Nikon D70 équipé de son téléobjectif de 180 mm. Les paramètres de prise de vue sont ISO 800, l'objectif diaphramé à f/13 et un temps de pose de 1/500 de seconde.
An everyday picture with the D70  + 180 mm at f/13, ISO 800, 1/500:

La même scène est photographiée en plaçant un filtre RG9 devant l'objectif (coupure vers 750 nm). Toujours à f/13 le temps de pose est à présent de 1/2 seconde. L'image infrarouge a été transformée en noir et blanc.
RG9 filer is now added (cut off near 750 nm). 180 mm at f/13, ISO 800, 1/2 s:
 

Dans l'image couleur de départ, la couche rouge a été remplacée par l'image infrarouge ci-dessus. Cela donne une scène qui ressemble bien à ce que nous verrions si nos yeux étaient sensibles dans le proche infrarouge : la chlorophylle réfléchit bien plus fortement la lumière solaire dans l'infrarouge. La végétation se teinte alors d'un beau rouge !
The red layer is replaced by the IR image (Iris is used for register the color layers):

La même expérience a été réalisée avec le Canon 10D, toujours à f/13 avec l'objectif de 200 mm et à ISO800. La nuance importante est que, pour obtenir la même densité dans l'image IR (voir cliché ci-dessous), il a été nécessaire de poser 8 secondes, au lieu de 0,5 seconde pour le D70. Le filtre anti-IR du D70 bloque donc sensiblement moins le rayonnement infrarouge, mais on ne s'en plaindra pas !
Same, but with the Canon 10D. 200 mm at f/13, ISO 800, exposure 8 seconds (remember, for the D70 the exposure time is only 0.5 second!):

9. REPONSE SPECTRALE / SPECTRAL RESPONSE

Les réponses spectrales relatives des trois couches RGB ont été évaluée sur des spectres du Soleil en utilisant le spectrographe LORIS. Le calcul prend en compte la distribution spectrale du spectre solaire et l'efficacité spectrale de LORIS. Les spectres ont été lissés avec des fonctions Splines pour elliminer les raies spectrales de Fraunhofer. Les images couleurs sont issues d'une interpolation linéaire simple des images CFA, ce qui minimise les artéfacts et les biais photométriques (on a utilisé  le logiciel Iris pour cela).
The relative spectral response of the three RGB layers were evaluated by using the spectrograph LORIS with Sun observation. The calculation takes into account the spectral distribution of the solar light and the spectral efficiency of LORIS. The spectra were smoothed with Splines functions to eliminate the Fraunhofer spectral lines. The color images result from a simple linear interpolation of the CFA images which minimizes the photometric artifacts and the photometric errors (Iris software was used for that).

Le graphique suivant montre la réponse spectrale comparée du D70 et du 10D. Les courbes sont normalisée à leur pic de réponse. La réponse du canal vert est très proche pour les deux appareils. On note en revanche par rapport au D10 que la sensibilité dans le bleu du D70 est déportée vers les courtes longueurs d'onde, que la bande passante est plus étroite et que le rendement est plus faible dans cette bande. Les canaux rouges des deux appareils sont similaires, à ceci près que la réponse relative du D70 est 10% inférieure à celle du 10D au niveau de la raie Ha de l'hydrogène, mais que le D70 a aussi une réponse plus étendue dans le rouge profond (ceci confirme les mesures en infrarouge du paragraphe précédent).
The following graph shows the spectral response of the D70 and of the 10D. The curves are normalized to their peak response. The response of the green channel is very close for the two digital cameras. The D70 blue response is shifted toward the short wavelengths compared to the 10D. The blue curve of the D70 is also narrower and a global lack of sensitivity is noticed. The red channels of the two DSLR are very similar.

A la longueur d'onde de 500 nm, isolée avec l'aide d'un filtre interférentiel de 20 nm de largeur de bande, il s'avère que le Nikon D70 produit 0.848 fois moins de signal que le 10D dans le canal vert pour une même sensibilité ISO et en corrigeant les effets instrumentaux (taille des pixels, type des objectifs). Partant de cette mesure, les courbes ci-après montre les réponses spectrale des deux appareils pour une même sensibilité ISO. Attention, cela ne signifie pas que le D70 est 0.848 moins sensible que le 10D car pour cela il faut aussi prendre en compte le bruit dans l'image.
At the 500nm wavelength, isolated by an interferential filter of 20nm range, it appears that the Nikon D70 produces 0.848 times less signal than the Canon 10D in the green channel for a same ISO sensitivity. This being computed by correcting the instrumental effect (pixel size effect, lens type). The above curves show the spectral response of the two cameras for the same ISO sensitivity. Be careful, this does not mean that the D70 is 0.848 times less sensitive than the 10D, because they are not here compared at the same signal to noise ratio.

On a porté sur le graphe suivant la position de raies spectrales remarquables. La couleur bleu-vert des nébuleuses planétaires (raies OIII) est bien restituée, mais le défaut de sensibilité dans le rouge est criant (raie Ha).
On the graph below, remarquable lines are indicated. The blue-green color of the planetary nebulae (OIII line) is well restituted, but the lack of sensitivity in the red is damageable ( Ha line).

Le graphe suivant est la somme des réponses des canaux rouge, vert et bleu. C'est la réponse panchromatique lorsque l'on calcule une image noir et blanc à partir d'un image couleur en utilisant la fonction de conversion "48 bits vers 16 bits" de Iris.
The graph below shows the sum of the response curve of the channels red, blue and green. This is the pan-chromatic response when a white and dark image is computed from a color image by using the conversion function "48 bits to 16 bits" of Iris.

La spectre d'émission est celui de la nébuleuse Messier 8. Il s'agit d'un spectre soigneusement calibré et l'intensité relative des raies y est respectée (cliquer ici pour des détails). La raie rouge de l'hydrogène est dominante.
The emission spectrum is the one from the Messier 8  nebulae (click here for details of this observation). This is a carefully calibrated spectrum and the relative intensity is conserved. The red line of the hydrogen is predominant.

Ci-dessous, le spectre de Messier 8 multiplié par les réponses du Nikon D70 et du Canon 10D. La raie dominante est celle de l'oxygène interdite [0III] à 500.7 nm. Dans les deux cas, la nébuleuse perd sa couleur rouge de manière quasi identique (le D70 restitue le rouge des nébuleuse très légèrement mieux que le 10D).
Below, the M8 spectrum is multiplied by the response of the Nikon D70 and the Canon 10D. The dominant line is the forbidden oxygen [0III] at 500.7 nm. In the two cases, the nebulae lose its red color on a very similar way. (The D70 will reproduce it a little bit better than the Canon 10D).

Vous pouvez télécharger ici les réponses spectrales calculées pour vos propres simulations (fichiers ASCII) :
You can dowload here the spectral response computed, for your own simulation (ASCII file):

Canon channel R
Canon channel G
Canon channel B
Canon panchromatique

Nikon channel R
Nikon channel G
Nikon channel B
Nikon panchromatic

Cliquer ici pour aller sur une page expliquant comment retirer le filtre anti-IR du Nikon D70
Click here: A procedure for remove the IR-cut filter of the Nikon D70

Sur cette même page quelques résultats sur le ciel avec le D70 en utilisant un filtre anti-IR plus complaisant vis à vis de la raie Ha. On this page some deep sky images taken with a new IR cutoff filter.

10. QUELQUES INFORMATIONS UTILES / SOME USEFUL INFORMATIONS

Le tableau suivant donne les valeurs de quelques paramètres mesurés sur les deux boitiers (ADU = Analog Digital Unit, e^- = electron) :
The following table gives the value of some measured parameters (ADU = Analog Digital Unit, e^- = electron):

Note : le défaut de sensibilité du D70 mis en évidence au paragraphe précédent se manifeste ici par un coefficient de correction pour ce canal plus élevée que das le cas du 10D.
The sensitivity defect of the D70 in the blue channel is put in evidence here through a compensation parameter value for the correction of the blue channel higher than for the Canon 10D.

Ci-dessous, une session de test du D70 (à gauche) et du 10D (à droite). Le D70 est commandé par le port infrarouge d'un PDA Sony Clié (Palm OS). Plus simplement, l'intervalomètre TC-80N3 est utilisé pour le 10D.
Below, a test session of the D70 (left) and of the 10D (right). The D70 is remotely controlled by the infrared port of a Sony Clié PDA (Palm OS). More simply, for the 10D the time remote controller TC-80N3 is used.

11. CONCLUSION

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