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Prétraitement des images noir et blanc (1/2)

Le signal enregistré par une caméra CCD ou un appareil photo numérique est le résultat de la sommation de 3 composantes :

1. Un signal en provenance de l'objet observé (les étoiles, les galaxies, le fond de ciel sous-jacent, etc). C'est le signal utile.
2. Un signal dit d'offset (que l'on peu traduire par signal de décalage en français, ou encore bias en anglais). Ce signal provient du détecteur lui-même (de son étage de lecture) et les circuits électroniques associés. Sa valeur est  approximativement identique pour tous les pixels de l'image,  Le signal d'offset est le même quelque soit l'image. Il est par exemple indépendant du temps de pose ou de la température du CCD (en première approximation). On obtient une image du signal d'offset en effectuant une acquisition dans l'obscurité totale avec un temps de pose très bref.
3. Un signal dit d'obscurité ou thermique (on dit encore en anglais signal de dark). Ce signal parasite prend sa source au niveau de chaque pixel du capteur sous l'effet de la chaleur ambiante. Le dark est d'autant plus important que la température du capteur est élevée. Sa valeur est aussi proportionnelle au temps de pose (il double lorsque le temps d'intégration est multiplié par deux). Généralement les caméras CCD sont refroidies à une température négative pour minimiser le signal thermique. Le problème existe aussi bien sur à des degrés divers avec les appareils photos numériques. On obtient une "carte" du signal thermique en effectuant une pose longue dans l'obscurité totale. Durant une pose de ce type le signal thermique s'accumule au niveau des pixels. Il n'est pas nécessairement égal d'un pixel à un autre, d'où l'aspect "granuleux" de l'image du dark. En raison de la présence d'impureté, le signal thermique de certains pixels peut être en effet bien plus élevée que la moyenne. Cela ce manifeste pas la présence de "points chauds" dans l'image d'obscurité. Attention, l'image ainsi réalisée contient le signal thermique, mais aussi le signal d'offset (ce dernier étant présent, on le rappelle, dans toute image à la sortie de la caméra). Pour isoler le signal thermique proprement dit, il faut donc soustraire à l'image acquise dans l'obscurité, une image du signal d'offset.

L'objet du prétraitement est d'extraire de l'image du ciel en elliminant aussi bien que possible le signal d'offset et le signal d'obscurité (en introduisant un bruit de traitement minimal).

Une dernière opération a effectuer lors du prétraitement consiste à corriger la non-uniformité de réponse des pixels du CCD, ainsi que l'effet d'ombrage lié à la présence de poussières dans le trajet optique ou de tout autre obstacle (vignetage). L'opération revient a observer une scène réputée uniforme pour obtenir les coefficients de calibration des pixels (un fond de ciel au crépuscule est une bonne approximation d'une telle scène, ou encore un écran blanc éclairé le plus uniformément possible, situé proche de la pupille d'entrée du télescope). Sans défaut spatial de sensibilité, l'image obtenue serait elle aussi uniforme, c'est a dire que tous les pixels auraient la même intensité. En pratique c'est loin d'être le cas et l'image ainsi acquise est une cartographie de la sensibilité relative locale sur la surface du CCD. Cette carte est appelée un flat-field en anglais (ou Plage de Lumière Uniforme, PLU, en français, ou encore image de gain). Attention, l'image acquise telle quelle en pointant le télescope vers une source de lumière uniforme n'est pas encore exactement une image flat-field : il faut se rappelé qu'avant de pouvoir l'utiliser il est nécessaire de lui soustraire l'image d'offset (et l'image de dark si la pose est longue). A partir de ce moment, toute image du ciel est divisé par l'image flat-field, ce qui a pour effet de corriger les non-uniformités de réponse locale de l'instrument (la division est effectuée seulement après que l'on ai soustrait de l'image brute le signal d'offset et de dark).

L'équation qui résume le prétraitemet est :

Prétraitement complet automatique

Supposons que nous avons l'on dispose des trois images maîtres de calibration, OFFSET, DARK et FLAT (sur la manière d'obtenir les images maîtres, cliquer ici). Nous allons prétraiter une séquence de 6 images du champ de la galaxie NGC 4294.

Voici les 3 images de maîtres :

Carte du signal d'offset

Carte du signal d'obscurité.

Carte du flat-field.

Voici l'une des images brute à traiter :

La première image de la séquence à traiter (image n4294-1.pic). A noter la présence de points chaud, le vignetage optique, les l'ombre de nombreuses poussières.

Les images brutes sont nommée n4294-1, n4294-2, ..., n4294-6. Le nom générique est donc "n4294-".

Astuce : Comment déterminer simplement le nombre d'image dans une séquence ? Lancer la commande NUMBER depuis la console, en précisant en argument le nom générique de la séquence :

>NUMBER N4294-

Iris retourne le résultat dans la fenêtre de sortie ainsi que la date du milieu d'acquisition. La première image de la séquence est en outre chargée en mémoire et affichée.

Ouvrir la boite de dialogue Prétraitement automatique (2) du menu Prétraitement :

Quelques champs sont déjà remplis du fait que l'on a exécuté la commande NUMBER au préalable.

Ne pas remplir le champ "Fichier cosmétique".

Cliquer OK. Pour toutes les images de la séquence Iris soustrait l'offset, le signal d'obscurité, et divise par le flat-field. Les images sont alignées relativement à la première image de la séquence (translation simple à une fraction de pixel près suivant X et Y). Les 6 images sont aussi additionnées, et le résultat affiché à l'écran. Une nouvelle séquence est par ailleurs crée dans le répertoire de travail. Elles toutes alignées par rapport à la première, qui sert de référence, et ont pour nom dans l'exemple I1, I2, ..., I6.

Voici le résultat de l'addition des 6 images, automatiquement affiché (ceci est équivalent à faire ADD2 I 6) :

La touche finale

Isoler la partie commune des 6 images dans le résultat de leur addition. Pour cela, sélectionner la partie que l'on souhaite conserver en définissant un rectangle avec la souris (glisser en maintenant le bouton droit enfoncé). Cliquer ensuite le bouton gauche dans l'image et invoquer dans le menu qui s'ouvre la commande Fenêtrage :

La nouvelle image fenêtrée :

On peut remarquer que le fond de ciel n'est pas très uniforme (il faut se rappeler que l'image est prise depuis un site urbain avec un fond parasite important). Ce problème peut être aisément corrigé.

Lancer la commande Retrait du gradient du menu Traitement :

Cliquer OK. Iris sélectionne automatiquement des points dans le fond de l'image, qu'il matérialise par des croix; Il ajuste ensuite une surface définie par un polynôme de degré élevée, qui passe par ces points. Cette surface est un modèle numérique du fond de ciel. Ce ciel artificiel est soustrait automatiquement de l'image à traitrer.

Le programme à sélectionner près de 2000 points dans l'image en évitant les étoiles et les galaxies.

Pour voir le résultat, ajuster les seuil de visualisation :

Le fond de ciel est bien plus uniforme. Mais quelques résidus de non uniformité, à petite échelle, apparaissent encore. Malgré que l'image soit déjà très propre, on peut encore tenter d'améliorer la situation en utilisant un filtrage du type "anneau médian" de l'image. Par exemple, depuis la console, sauvegarder le précédent traitement dans un fichier temporaire, calculer le filtrage médian, sauvegarder le résultat et finalement, soustraire ce dernier à l'image à traiter :

>SAVE TMP
>RING_MEDIAN 25

La paramètre de RING_MEDIAN est la force du filtre. Le choix fait ici est tel que les objets de l'image ont quasiment tous disparu :

>SAVE RING
>LOAD TMP
>SUB RING 150

Le second paramètre de la commande SUB est une constante que l'on ajoute à la valeur de tous les pixels après soustraction pour faciliter la visualisation (en obtenant une image strictement positive). Voici le résultat fenêtré :

ou une visualisation en négatif (que l'on obtient en inversant les seuils) pour mieux détecter les objets faibles. Comparer cette image à une image brute pour apprécier le gain apporté par un prétraitement soigné !

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