La photo numérique en astronomie

Dans l'atelier imagerie de notre association, nous avons pu nous initier à l'imagerie astronomique grâce au numérique.

Réalisation de photos astronomiques avec les Webcams, modifiées ou non modifiées, les appareils photos numériques et leurs nouvelles possibilités et enfin les caméras dédiées à l'astronomie comme la ST7 Sbig du club.

Dans ce dossier, je vais essayer de résumer et de comparer les différents modes de capture, leurs sensibilités et leurs champs.

Toutes les images sont réalisées de mon appartement avec l'aide d'une lunette achromatique Perl Halley ( 70mm/400MM) F/D 5,7, avec un filtre anti Infra Rouge. Le mode d'acquisition des images est sensiblement identique pour l'ensemble des essais, sauf pour le boîtier numérique qui ne possède pas de mode vidéo et pour la ST7 dont la vitesse d'obturation me semble approximative à ces vitesses.

Les images capturées n'ont aucun rapport avec l'astronomie pour des questions de facilité  mais aussi des raisons de météo.

Nous trouverons ici les différentes modifications utilisées sur nos Webcams, pas la partie technique mais plutôt les résultats qui en découlent.

Les modifications software étant l'utilisation de nouveau drivers issus du monde de LINUX  ou de nouveaux réglages internes de l'électronique par logiciel:  http://www.astrosurf.com/astrobond/ebvprawf.htm;

Ces logiciels ou "macro" modifient directement les drivers des Webcams pour en améliorer considérablement l'image résultante. Plus rien à voir avec les images d'origine qui induisaient des artefacts (ou défauts ), difficiles à éliminer : http://www.astrosurf.com/polo/matos/setwc/index.html ; http://jeanlouispujals.free.fr/webcam.htm

Exemples du bruit du capteur lors de longues poses, Dark de 40s avec la même caméra en utilisant les différents modifications software à notre disposition.

Les modifications Hardware étant des manipulations internes sur les composants électroniques, suivez les instructions des pages de Sylvain WEILLER ou d'Etienne BONDUELLE. D'autres modifications plus élaborées permettant la coupure du "pré-ampli", le changement du capteur( 1/3" ou 1/2") ou des variantes sur les Toucams sont également disponibles sur le Web. Il faut savoir que cette transformation, quoiqu'elle paraisse irrémédiable, permet en fait d'utiliser sa Webcam comme avant. Seule la garantie ne sera plus valable.

Vesta pro couleur 1/4". Les infos pour les modifications :
http://astrosurf.com/sweiller/vesta-pro-SC-Steve-Chambers.html ; http://thierrylambert.free.fr/materiel/vestapro/vestaprocielprofond.html ;
http://jeanlouispujals.free.fr/webcam.htm

Vesta pro N&B 1/4". Les infos pour les modifications : http://www.astrosurf.com/fguinepain/Materiel_WebCam/QuickCam/VestaPro/ ; http://astrosurf.com/astrobond/ebvpnbf.htm ;
http://jeanlouispujals.free.fr/webcam.htm

Vesta pro N&B 1/3" et 1/2". Les infos pour les modifications :
http://www.greg.beeke.btinternet.co.uk/icx414.htm ;
 http://home.clara.net/smunch/wintro.htm ;
http://jeanlouispujals.free.fr/webcam.htm

Toucam pro couleur 1/4". Les infos pour les modifications :
http://www.astrosurf.com/astrobond/ebtruc.htm#truc06 ;
http://astrosurf.com/sweiller/TUCam-SC.html 

Toucam pro N&B 1/4".

Toucam pro 2 couleur 1/4.

Appareil reflex numérique FUJI S 2 PRO.

CCD ASTRONOMIQUE ST7.

adaptateurs: http://www.chez.com/astrocam/DANNY.html

Pour plus d'information il existe également une FAQ astrocam : http://www.regnier-schmit.net/faqastrocam/

 

1 Vesta pro couleur 1/4":

La Vesta pro de Philips est incontournable depuis plusieurs années. Elle fut LA caméra pour la photo numérique planétaire. Malheureusement elle n'est plus commercialisée depuis 2002 et a été remplacée par la Toucam du même constructeur. La Vesta est modifiable en "hardware" et en "software" pour l'imagerie en ciel profond et l'optimisation de ses drivers pour l'astronomie. Elle est très robuste, supporte bien des choses que le constructeur était loin d'imaginer. Si vous en trouvez encore, et même d'occasion, n'hésitez pas.

 

 

Modification du driver par LINUX 

Les images sont brutes, celle du haut avec le driver d'origine et celle du bas avec le réglage par Lin4astro.

Le réglage est sans danger pour le PC et pour la Webcam : Démarrage directement sur le CD de Lin4astro, rien n'est installé sur votre PC, les logiciels fonctionnent à partir du CD. Ouverture de Qastrocam, réglage du sharpness à 0 et du noise à 0. Enregistrez la configuration, ces réglages sont maintenant vos réglages utilisateur. Pour plus d'info: http://dulle.free.fr/alidade/contour.php?hres= ou http://www.lin4astro.org

Repassez sur Windows et rappelez vos réglages par "restaurer  utilisateur".

Vous aurez ainsi, comme l'image du bas le montre une image moins bruitée, idéale pour le compositage sans artéfacts.

Toutes les caméras pourront subir le même traitement et les réglage sont persistants, sauf si vous réenregistrez de nouveaux réglages utilisateur. Dans ce cas, adieu la "modif LINUX" vous serez obligé de la refaire.  

Nous suivons de très près les évolutions de nos petites caméras, il est possible que lorsque vous lirez ces pages, des nouveautés soient apparues. Si ce sujet vous captive, inscrivez vous à la liste astrocam et ainsi suivez les avancées dans ce domaine. 

Une seconde modif software est possible par macro directement dans Windows XP  par lignes de commandes DOS. Je n'ai personnellement pas utilisé cette méthode mais elle fonctionne parfaitement. Le petit programme issu de LINUX se nomme setwc-0_1a et son utilisation est simple: http://www.astrosurf.com/polo/matos/setwc/index.html

La taille du capteur:

Les Vesta Pro, Toucam Pro et Toucam Pro 2, sont toutes équipées d'un vrai capteur CCD. Contrairement aux autres dénominations comme fun ou express qui sont, elles, équipées de capteurs cmos.

Leur capteur CCD a une résolution de 640x480, des pixels de 5.6 avec une taille d'1/4 de pouce.

 

L'objectif déposé, on voit le capteur à nu. Cela devient vite un problème quand on intervertit fréquemment les objectifs car des poussières viennent marquer l'image.

Sa sensibilité:

 

 Les réglages pour réaliser cette image: Webcam control 3 en vidéo, 5images/s en automatique (1/25s et gain 100%).41 images compositées dans Régistax et enregistrement direct, pas d'autres réglages (luminosité ou traitement divers).

Nous verrons que ce n'est pas la plus sensible, mais certainement la moins bruitée.

Cette caméra est très largement utilisée en planétaire et en mode pose longue, après modification hardware. 

Exemple:

  

Vesta pro couleur avec Barlow x3 et Lx 200 8" (200/2000) et compositage de 800 images sélectionnées. 

 

2 Vesta pro N&B 1/4":

Le remplacement du capteur couleur par le N&B se fait facilement, il ne faudra pas trop chauffer la matrice CCD lors de sa repose. 

La taille du capteur:

Le capteur N&B est de même taille et même résolution (640x480) que le capteur couleur. Mais en passant en N&B nous avons un gain de 300% en luminosité.

Sa sensibilité:

 

Les réglages pour réaliser cette image: Webcam control 3 en vidéo, 5images/s en automatique (1/25s et gain 100%).41 images compositées dans Régistax et enregistrement direct, pas d'autres réglages (luminosité ou traitement divers).

L'image est plus lumineuse, environ 3 fois plus que le capteur d'origine. 

Cela ouvre de vrai possibilité en planétaire mais aussi en ciel profond. La vitesse de capture des vidéos planétaires augmente, on pourra effectuer plus d'image en un temps donné. En ciel profond on aura tout simplement 3 fois plus de lumière pour le même temps de pose.

En combinant le résultat des 2 caméras modifiées en longue pose, nous appelons cela le LRVB (luminance+rouge+vert+bleu), nous avons la sensibilité de la N&B et la couleur de la Vesta pro presque originelle ou modifiée longue pose.

Exemples:

     Couleur(rvb)                      Luminance (L)              Luminance + couleur (Lrvb)

M51 LRVB réalisée à Saclay 91: Vesta pro N&B +Vesta pro couleur avec réducteur 3,3 et LX 200 8" 

 

3 Vesta pro N&B capteur 1/2":

Le capteur 1/2 pouces N&B est encore une des nombreuses adaptations que ces Webcams ont  eu à supporter. Le remplacement de ce capteur est plus complexe que la dernière version ci dessus nommée.

Le 1/4" possède 16 pattes (2x8) et le 1/2" en à 22 (2x11) l'interconnexion est donc différente. Mais vous ne trouverez pas de schéma de câblage en libre accès sur le Net car les découvreurs souhaitent préserver à la gratuité leurs trouvailles. Des abus ont déjà eu lieu pour la modification longue pose sur les Toucams. Bref vous trouverez les liens de ces bricoleurs sur le site de Sylvain et après autorisation vous recevrez les plans.

 

Les images sont brutes, celle du haut avec le driver d'origine et celle du bas avec le réglage par LINUX 4 ASTRO. On voit que le changement de driver, les réglages du sharpness et du noise, est efficace pour toutes les caméras.

La taille du capteur:

Il  fait donc 1/2 pouces  mais la même résolution, 640x480. Nous avons maintenant des pixels de 9.9

 

Vesta 1/4                                                                       Vesta 1/2

La taille de la matrice étant augmentée cela va également augmenter d'autant le champ de la photo. De plus le Chip, le piège à photon étant également plus grand, la sensibilité s'en trouve accrue. Donc 2 avantages, plus de champ et plus de luminosité. Maintenant nous nous rapprochons vraiment beaucoup d'une CCD d'astronomie type ST7.

Sa sensibilité:

Les réglages pour réaliser cette image: Webcam control 3 en vidéo, 5images/s en automatique (1/25s et gain 100%).41 images compositées dans Régistax et enregistrement direct, pas d'autres réglages (luminosité ou traitement divers).

Cette Webcam modifiée en pose longue devient délicate à régler dans notre ciel urbain, la pollution lumineuse blanchit rapidement l'image. Pour info, avec un réducteur 3,3 au foyer du LX 200 8", 50s de pose semble être le maximum exploitable dans notre ciel de banlieue. Dans d'autres conditions, elle pourrait concurrencer les "vraies" CCD Sbig et autres.

Exemple:

M42 avec Vesta pro longue pose 1/2 (raw), plus réducteur 3,3 au LX 200 8" à Saclay 91.

Le mode RAW est encore une modification des drivers en cours d'expérimentation, les droits en sont protégés. Pour plus d'info sur ce dernier mode nos ateliers imagerie vous sont ouverts. Etienne BONDELLE et Christian BUIL expliquent les avantages d'une telle évolution.

Il existe encore de nombreuses modifications de Vesta pro: Coupure du pré-ampli, changement pour un capteur 1/3" couleur ou N&B ou capteur 1/2" couleur. A vous de choisir la votre.

 

4 Toucam pro couleur 1/4":

La remplaçante de la Vesta pro, son boîtier est bien différent et peu robuste. Le pas de vis que nous utilisons pour y visser nos adaptateurs est en plastique "véritable". Son encombrement réduit et son câble d'une longueur respectable sont bien pratiques pour l'ASTRO. L'environnement du driver change quelque peu mais on retrouve toutes les fonctions. Elle aura remplacé la Vesta pendant 2 ans, maintenant elle n'est plus commercialisée. Elle est remplacée par la Toucam pro 2.

 

La taille du capteur:

Les Vesta Pro, Toucam Pro et Toucam Pro 2, sont toutes équipées d'un vrai capteur CCD. Contrairement aux autres dénominations comme fun ou express qui sont, elles, équipées de capteurs cmos.

Leurs capteur CCD ont une résolution de 640x480, des pixels de 5.6 avec une taille d'un 1/4 de pouce.

Sa sensibilité:

Les réglages pour réaliser cette image: Webcam control 3 en vidéo, 5images/s en automatique (1/25s et gain 100%).41 images compositées dans Régistax et enregistrement direct, pas d'autres réglages (luminosité ou traitement divers).

Ce qui frappe dès la mise en fonction de cette caméra, c'est sa luminosité. Comparée à la Vesta, celle ci est environ 3 fois plus lumineuse, mais elle est également beaucoup plus bruitée. Le capteur étant toujours le même, on ne peut avoir l'un sans l'autre. Globalement, pour une image identique avec les 2 caméras, la Vesta aura un Gain à 80% alors que  la Toucam sera réglée vers 50%. Ce gain en luminosité pourra servir en planétaire, à la condition de compositer un plus grand nombre d'images.

Exemple:

Toucam pro couleur 1/4". 350 images compositées dans Régistax

 

4 Toucam pro N&B 1/4":

Le remplacement du capteur couleur par le N&B se fait plus facilement que sur la Vesta pro, il ne faudra pas trop chauffer la matrice CCD lors de sa repose. 

La taille du capteur:

Le capteur N&B est de même taille et même résolution (640x480) que le capteur couleur. Mais en passant en N&B nous avons un gain de 300% en luminosité.

Sa sensibilité:

Les réglages pour réaliser cette image: Webcam control 3 en vidéo, 5images/s en automatique (1/25s et gain 100%).41 images compositées dans Régistax et enregistrement direct, pas d'autres réglages (luminosité ou traitement divers).

Le résultat montre bien la différence, non seulement entre la version couleur et N&B de la Toucam, mais aussi entre une Toucam N&B et la Vesta N&B. La sensibilité est vraiment au rendez vous. Le bruit a également augmenté mais pour une utilisation planétaire, avec de nombreuses images à compositer, elle pourrait devenir "La" caméra planétaire. Son avantage par rapport à une Vesta, sa rapidité de capture. Des essais complémentaires devront confirmer sa spécificité. A suivre !!

Exemple:

 

Toucam pro Couleur et N&B (LRVB) pour cette saturne du 16 décembre 2003

La rapidité d'acquisition permet de fixer encore mieux la turbulence. La sélection est plus longue, mais au final nous arrivons à compositer plus d'images. le résultat de 2 nuits d'essai me semble prometteur. Elle sera également parfaite pour les acquisitions de Jupiter qui, de par sa vitesse de rotation, interdit de trop longues vidéos. 2 minutes avec une focale de 4 mètres me semble raisonnable pour ne pas avoir de rotation de la planète. 

 

5 Toucam pro 2 couleur 1/4":

Cette nouvelle caméra (fin 2003) est la remplaçante  de la Toucam pro. Elle lui ressemble beaucoup, les caractéristiques techniques sont identiques, le pilotage est très proche de l'ancienne Toucam, seuls les drivers ont été remaniés pour encore augmenter le Gain de l'image. La coque et surtout son câble USB sont différents. Câble à la limite de la décence pour une caméra sensée s'installer sur un moniteur pour de la visioconférence. La rallonge USB devient obligatoire. 

 

Attention !!! lors du montage de l'adaptateur, le capteur est vraiment très proche. Ne pas forcer sur le serrage.

La prise en main est rapide, on n'est pas dépaysé. Elle est bien reconnue par l'ensemble de nos logiciels.

Sa sensibilité:

Les réglages pour réaliser cette image: Webcam control 3 en vidéo, 5images/s en automatique (1/25s et gain 100%).41 images compositées dans Régistax et enregistrement direct, pas d'autres réglages (luminosité ou traitement divers).

Très bonne sensibilité, certainement trop bonne pour le capteur. On voit apparaître la trame du pauvre capteur poussé dans ses derniers retranchements. Il faudra réduire le gain sensiblement pour faire disparaître ce tramage. On est maintenant presque 1,5 fois plus lumineux que la Toucam-1 et environ 4 fois plus que la Vesta.

 

La différence est là, le bruit et la luminosité ont augmenté mais aussi le contraste.

Exemple:

Tous reste a faire sur cette nouvelle Philips, mais il est fort probable que nous retrouvions les mêmes résultats que sur la Toucam-1 avec une rapidité augmentée si vous désirez travailler à fort gain.

Voilà ce qu'il en est à la fin de cette année 2003. Année qui fut riche en avancées techniques dans l'utilisation de ces petites Webcams.

Il est fort à parier que des nouveautés vont apparaître, le mode RAW, signal brut sorti directement du capteur comme les CCD dédiées, commence à se démocratiser. 

 

 

L'évolution importante de cette année 2003 fut également l'arrivée  de la photo numérique en astronomie à de meilleurs prix (1000à1800E). 

 Les appareils photos numériques réflex:

Je ne vais pas faire un comparatif de tous les réflex numériques, des sites sur le net ainsi que Jean-Luc Dauvergne et ses articles l'ont fait avant moi. Je vous propose un essai du Fuji s2 pro que nous avons acheté l'été 2003. Les différences avec les autres APN de la même gamme, reste minime (Canon 10D, 300D, Nikon D100 ou Pentax). Le traitement des photos numériques réflex est parfaitement abordé avec le logiciel IRIS de Christian BUIL, superbe logiciel de traitement d'image et gratuit de surcroît.

 

6 FUJI S 2 PRO:

Le Fuji s2pro avec son objectif 18/35.

Commercialisé en Novembre 2002 au Japon, nous le trouvons assez facilement en France au prix de 1700E boîtier nu. Il est rapidement disponible ce qui n'est pas le cas du Canon D 300 (plus de 2 mois d'attente). Fuji a intégré son électronique sur un vrai capteur CCD de 6,23 millions de pixels dans un boîtier F70 de chez NIKON. C'est donc un appareil complètement compatible avec les objectifs NIKON et NIKKOR sauf 2 exceptions. C'est pour cela que notre choix s'est porté sur ce boîtier, étant déjà possesseur d'objectifs NIKON. 

Quelques information sur ce boîtier: 

PIXELS... Capteur Super CCD 23x15.5 mm - 6.17 Megapixels (effect)
Image 4256 x 2848 (12.1 millions), 3024 x 2016, 2304 x 1536, 1440 x 960 pixels
OPTIQUE Zoom Optique  x
Zoom Numérique  x
Focale Équivalente Nikon AF type D optiques
Distance et mode macro Autofocus, cinq collimateurs AF sélectionnables individuellement (+ assistance AF)
Viseur LCD 4.5cm 118 Kpixels, viseur optique ,
ISO equiv. 100/160/200/400/800/1600 
Obturateur 1/4000 - 30 s, B, x-synch : 1/90 s
Flash intègre, anti yeux rouges, synchro lente, synchro externe, contact sabot, compatible flashes Nikon
STOCKAGE Type de mémoire Smart media / Compact flash type II / Micro drive
Format de fichier JPEG, TIFF (8 bits), RAW (12 bits)
Nombre d'images stockées
CONNEXIONS 1 2 3 Sortie Vidéo PAL / NTSC
Port Données USB 1.1, Firewire (IEEE1394)
Compatibilité PC, Mac ? Mac & PC compatible
DIMENSIONS. Dimensions 142 x 132 x 78 mm soit 245% du volume standard
Poids 760g soit 262% du poids moyen
Alimentation 4 Accus type AA NiMH / 3 Lithium CR123A
FONCTIONS mode rafale Oui
mode vidéo Non
ACCESSOIRES FOURNIS
  • Fuji film Finepix S2 Pro nu
  • 2 piles lithium CR-V3
  • Dragonne
  • Bouchon d'objectif
  • Protection oeilleton
  • Couvercle écran LCD
  • Câble USB
  • Câble Firewire IEEE1394
  • Câble vidéo
  • CD Rom avec pilotes Finepix Viewer, Convertisseur de fichiers RAW, ver LE, VideoImpression, Adobe Photoshop Elements, Apple Quick Time 5.0

La taille du capteur:

Super CCD 23x15.5 mm - 6.17 Megapixels (effect)

Contrairement au Canon très en vogue, c'est ici un vrai capteur CCD et non un Cmos. La différence n'est pas prouvée, en effet les Canons ont beaucoup progressé dans le traitement du bruit électronique inhérent au Cmos. 

Sa sensibilité:

Sa gamme de sensibilité s'échelonne de 100 à 1600 ISO, je travaille généralement à 800 ISO pour ne pas avoir trop de bruit. Pour les essais qui suivent, j'ai poussé jusqu'à 1600 ISO pour assurer la comparaison avec les Webcams poussées également au maximum de leur gain. 

Les réglages pour réaliser cette image:Piloté par l'ordinateur via le port IEE 1394, vitesse: 1/6s à 1600ISO.41 images compositées dans MdL et enregistrement direct, pas d'autres réglages (luminosité ou traitement divers).

La sensibilité n'est plus au rendez vous, il faudra compenser par des temps de poses plus longs. L'image éclaircie ci dessus représente le champ fabuleux du capteur 6,17. La partie centrale donne une idée du champ du 1/2" ou de la ST7. Plus rien à voir avec ce que nous avions précédemment. C'est plus près du 24x36 argentique que des autres capteurs CCD, avec la couleur en prime. 

 

 

Exemples:

 

M42 réalisée à 15 km au sud de Paris avec un LX 200 8" + un réducteur 6,3. L'image est un compositage de 6 x 90s à 400 ISO.

Dans un ciel de banlieue, la pollution lumineuse éclaircit le fond du ciel. Les temps de pose doivent donc être réduits pour éviter ce phénomène.

Dans un ciel bien noir il en est tout autrement, les temps de pose sont alors limités par le bruit électronique ou thermique du capteur. A l'observatoire des Makes sur l'île de la Réunion, j'ai fait des pose de 12 minutes sans avoir de problèmes. Pas besoin de faire de soustraction de "dark", la température n'était pas très élevée il est vrai (7°C).

 

La Lagune et trifide; compositage de 6x10minutes à 400 ISO au foyer d'une Takahashi FS 60.

M42;compositage de 6x6minutes avec un téléobjectif de 200mm ouvert à 4,8.

Comme l'explique Christian BUIL sur sa page: http://www.astrosurf.com/buil/us/digit/eval.htm ; le potentiel des réflex numériques est très important.

Nous verrons de plus en plus de ces images remarquables réalisées avec ce matériel photographique qui a le gros avantage d'être polyvalent.

 

7 CCD astronomique ST7:

Les caméras CCD dédiées à l'astronomie sont largement utilisées par les clubs et les passionnés d'astrophotographie. Elles sont généralement refroidies par un capteur Peltier pour éviter le bruit thermique du capteur. Elle ont l'avantage d'être très sensibles et de fonctionner en 16 bits monochrome par rapport à nos Webcams qui elles fonctionnent en 8 bits. On aura donc plus de nuances de gris et plus de signal. Je n'ai pas encore vraiment étudié ce type de matériel, mais à l'utilisation, ces caméras sont impressionnantes. Un lien bien utile pour résumer les caractéristiques de la ST7: http://www.astrosurf.org/ccdbazar/D-Materiel/ST7-PAP/st705.html

Elles ont l'inconvénient d'être assez onéreuses, très spécialisées, pas forcément faciles à utiliser. Il faut du temps pour bien utiliser une CCD. Les avantages, elles fonctionnent en 16 bits, possèdent un obturateur bien pratique pour l'acquisition des Darks et dans le cas de la ST7, il est possible de faire de l'autoguidage avec un second capteur intégré. Ce qui est un gros avantage. On peut trouver d'occasion des ST7 pour 1600E.

La taille du capteur:

Le capteur, 765x510

Sa sensibilité:

Pas facile de comparer, le traitement de l'imagerie CCD ne m'est pas très familier.

Les réglages pour réaliser cette image: Compositage de 41 images de 1/25s, avec CCD soft.

L'image résultante est plus douce et bien contrastée. La mise au point est certainement perfectible sur cet essai. Le champ couvert est également meilleur, proche de la Vesta N&B 1/2".

 

Exemples:

Comme indiqué plus haut, je n'ai pas vraiment utilisé cette ST7. Les différents essais, se sont limités à une prise en main en acquisition et en autoguidage. Les images semi pro que l'on voit sur le Net confirme que c'est vraiment le type de matériel pour l'astrophotographie. Ces images sont vraiment superbes et reflètent un savoir faire indéniable de leurs créateurs.

Jean- Claude BRIAND, spécialiste de la discipline dans notre association nous a photographié quelques objets lors de notre voyage au Makes sur l'ile de la réunion, dont voici 2 exemples.

 

 

 

Des images superbes.

 

Voilà qui je l'espère vous aura éclairé sur quelques matériels de capture d'imagerie numérique. Les essais effectués se veulent indicatifs car des variations de sensibilité et de bruit ont été remarqué sur des caméras de même type. C'est comme les automobiles, elles se suivent et ne se ressemblent pas forcément, il peut y avoir une mauvaise série.

 

 

Fabrice NOËL le 01/01/04