Club d’Astronomie de Lyon Ampère

La trichromie en CCD

dimanche 7 août 2005 par Olivier Garde

Lorsque l ’on commence à faire des images du ciel profond, on a très vite envie de voir ces images en couleur, mais la quasi-totalité des caméras CCD « Astronomiques » ont des capteurs noir et blanc, exceptés deux modèles commercialisés par la Sté Starlight xpress et,bien sûr, les webcams.

L ’inconvénient d ’avoir un CCD couleur se traduit par une résolution moins bonne car la matrice est en fait constituée de groupes de 3 pixels juxtaposés comportant chacun un filtre de couleur différent (1 rouge,1 bleu et 1 vert).La résolution d ’une telle matrice est en fait divisée par trois par rapport à un capteur CCD noir et blanc ayant des pixels de même grosseur. Une solution a été trouvée au niveau des caméras vidéos classiques utilisées en télévision et en usage grand public haut de gamme en employant des caméras tri CCD.Ces caméras sont équipées de 3 capteurs CCD noir et blanc strictement identiques devant lesquels on a disposé un filtre rouge, un vert et un bleu. La lumière focalisée par l ’objectif de la caméra est séparée par un jeu de prisme qui divise le faisceau incident en trois faisceaux distincts. Chacun des faisceaux frappe à son tour chaque capteur CCD.On se retrouve alors avec 3 composantes de l ’image qui sont recombinées ensuite pour recomposer une image couleur. A taille de pixels et de matrice équivalents, on obtient ici une image 3 fois mieux résolue qu ’avec une caméra couleur « mono CCD »et beaucoup moins d’interférences entre les différentes composantes, car les signaux sont traités séparément. On s’en aperçoit facilement lorsque l ’on film par exemple un objet rouge sur un fond bleu :sur une caméra mono CCD, la limite entre le rouge et le bleu est mal définie et les couleurs bavent les unes sur les autres ; par contre en utilisant une caméra tri CCD ,les formes des objets sont bien mieux résolus au niveau des contours et les couleurs plus fidèles. Mais cette solution ne peut être adoptée en astronomie devant le faible flux lumineux des objets à photographier. On utilise alors la technique de la trichromie qui permet, à partir d ’une caméra CCD noir blanc, de reconstituer une image couleur par superposition d ’images en noir et blanc réalisées avec des filtres de couleur rouge, vert et bleu. Voyons tout d ’abord les deux systèmes de synthèses d ’imagerie couleur que l ’on peut utiliser :

  1. La synthèse dite « soustractive »est utilisée en imprimerie car elle est fondée sur l ’absorption de la lumière par le support, ici la feuille blanche.
    Synthese sosutractive

    Elle consiste à séparer une image couleur en 3 plaques de couleurs dites primaires : le cyan, le magenta et le jaune. Ces couleurs sont qualifiées de primaires, car elles ne dérivent d ’aucune autre couleur et permettent, par mélange entre elles, d’obtenir toutes les autres. Les imprimeurs ont rajouté le noir aux trois couleurs primaires afin d’améliorer le contraste de l ’image, mais aussi pour le texte, les filets, etc... On obtient ainsi
    quatre plaques qui sont montées sur des machines d ’imprimerie offset et qui recomposent ainsi une image couleur par superposition de couleurs primaires où leurs absorptions s ’ajoutent sur la feuille de papier :le cyan et le jaune donnent du vert, le magenta et le cyan donnent du violet et l’ensemble des trois donne en théorie du noir, mais en réalité un marron brunasse, d ’où l ’intérêt de rajouter une couche noire.

  2. La synthèse dite « Additive »est utilisée sur tous les écrans de télévision ou d ’ordinateur, les caméras ou camescopes. Dans ce cas l ’image est décomposée à travers 3 filtres (rouge vert bleu) pour être reconstituée sur un écran par addition des trois couleurs fondamentales.
    Synthese additive

    Le mélange à égale proportion des 3 couleurs de base donne un gris neutre qui varie du noir (pas de lumière émise par l ’écran) au blanc (100% de la puissance des 3 couleurs fondamentales). Dans ce procédé, le choix des couleurs de bases, qui ne sont pas des couleurs primaires, ne permet pas d’avoir l ’ensemble des nuances que l ’on retrouve dans la nature (certaines couleurs comme le pourpre ne sont pas rendues avec fidélité sur un écran vidéo) mais elles sont technologiquement faciles à mettre en œuvre et permettent de disposer d’un triangle RVB sur le diagramme des couleurs, le plus large possible.

Système RVB

Mais revenons à l ’astronomie ; que faut-il faire pour réaliser une image en couleur avec un CCD noir et blanc ?Il faut, bien sûr, une caméra CCD refroidie (-30 °C par rapport à la température ambiante) afin de disposer d ’un bon rapport signal/bruit. C ’est nécessaire lorsque l ’on effectue des longues poses en noir et blanc, mais cela devient indispensable en couleur à travers les filtres vert et bleu, car la caméra CCD est beaucoup moins sensible dans ce domaine spectral de la lumière et le niveau de bruit devient vite gênant. Il faudra donc poser plus longtemps dans le vert et le bleu (1,5 fois dans le vert et 1,8 fois dans le bleue environ pour un capteur de type KAF401E,déjà plus sensible dans le bleu qu ’un KAF400 classique).Au niveau des filtres, il en existe de nombreuses variétés que je ne détaillerai pas ici, mais voici plutôt les caractéristiques que l ’on recherche pour cette application : la bande passante de chaque filtre ne doit pas ou peut déborder sur le filtre d ’à côté... Tous les filtres ne doivent pas laisser passer l ’infrarouge sous peine de voir « polluer »les poses réalisées dans le vert et le bleu notamment. Les filtres dichroïques ont un meilleur taux de transmissions. A l heure actuelle, les filtres Astronomik (voir leur site) ont un bon rapport qualité/prix et sont disponibles dans tout les diamètres standard astro.

Roue à filtres

Pour utiliser ces filtres il est nécessaire de les monter dans une roue à filtre ou plus économiquement, sur une barrette porte-filtre coulissant manuellement devant la fenêtre de la caméra CCD.On utilisera aussi un quatrième filtre « Transparent » lui aussi anti-infrarouge pour deux raisons :

- cela permet d ’effectuer la focalisation de la ccd à travers un filtre de même épaisseur que les
autres.
- on pourra prendre des images couleurs utilisant la technique du LRVB qui sera décrite plus loin.

Une fois l ’ensemble du système installé sur un télescope ou une lunette, la cible repérée est centrée sur le CCD,l ’acquisition des images peut être effectuée. Outre l ’acquisition des images à travers chaque filtre, il est nécessaire aussi de faire les « Bias »ou « offset », les « Noirs »ou « Dark » comme pour les images noir et blanc, par contre en ce qui concerne les « flat »ou « Plu »il convient de faire autant de flat différents qu ’il y a de filtres, à cause des poussières ou défauts de construction propre à chaque filtre. On procédera au pré-traitement classique de chaque image (image brut -offset -noir)/(flat-noir du flat)et à l ’alignement des images entre elles afin de pouvoir les additionner. Une fois tous ces pré-traitements effectués, on peut maintenant
procéder à l ’assemblage des 3 couches, rouge, vert et bleu, que l ’on peut faire avec des logiciels
classiques de traitement d ’image astro comme Iris. Une touche finale pourra être apportée sur le logiciel Photoshop afin d ’éliminer les éventuelles dominantes de couleurs indésirables.

La technique du LRVB

Une autre technique qui permet d ’obtenir de meilleurs résultats consiste à effectuer des poses supplémentaires à travers un filtre transparent anti infrarouge appelé L pour « Luminance » qui apportera les détails de l ’image couleur (un peu comme en imprimerie pour la couche « Noir »qui vient compléter les couches cyan, magenta et jaune). On traitera cette composante comme les précédentes réalisées en RVB.Dans cette technique LRVB on peut gagner beaucoup en sensibilité par exemple en effectuant les poses RVB en binning 2x2 et finir par les poses en luminances mais en binning 1x1 afin de recueillir un maximum de détail. La technique du binning permet, lors de l’acquisition d ’une image CCD,de grouper plusieurs pixels entre eux afin d ’améliorer la sensibilité du capteur, mais au détriment de la résolution :par exemple en binning 2x2 (c ’est à dire un groupe de 4 pixels élémentaires assimilé à 1 seul gros pixel), la sensibilité sera multipliée par 4 mais la résolution sera, elle, divisée par 2 tout en conservant le même champ. Cela permet de réduire les temps de pose à travers les filtres RVB et d ’augmenter le rapport signal/bruit de l ’image surtout pour les composantes bleue et vert).L ’assemblage des diverses couches en LRVB reste identique à la technique RVB, sauf qu ’il y a une couche supplémentaire, et peut être réalisé dans Iris grâce à la fonction trichromie du menu visualisation (il suffit de cocher la case « L »pour que le logiciel prenne en compte une image LRGB).On peut aussi le faire sous photoshop en créant un calque supplémentaire « Luminance »et jouer sur les paramètres du calques (type de superposition et opacité).

Alors, maintenant que vous maîtrisez cette technique, donnez de la couleur à vos images de galaxies et de nébuleuses. Avec un peu de méthode, vous réaliserez qu ’à l ’usage, ce n ’est pas plus compliqué que de réaliser une image en noir et blanc.


Accueil | Contact | Plan du site | | Statistiques du site | Visiteurs : 16702 / 964491

Suivre la vie du site fr  Suivre la vie du site De la technique  Suivre la vie du site De la théorie   ?    |    titre sites syndiques OPML   ?

Site réalisé avec SPIP 3.1.4 + AHUNTSIC

Creative Commons License